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摘 要： 我国工业化脚步越来越快，生产过程中产生的废气和废液也成倍增加，大量废热未得到有效利用。为响应我国节能减排的号召，可以对工业废热进行回收，利用热电效应进行温差发电，达到节能目的。本文介绍了温差发电系统的原理和在我国的应用情况和研究现状。同时对温差发电中存在的发电效率低、材料有害的机械应力、发电机匹配和热设计等问题进行了分析，并提出了改进的措施。最后指出随着热电材料和温差电组件性能的提高，温差发电技术在工业节能减排方面的贡献将更加突出，普遍应用于工业废热回收的可行性较大。
关键词： 节能减排；温差发电；工业废热；措施；
中图分类号：TB4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110213-01
1 温差发电原理
温差发电的基础是塞贝克效应，利用热电材料的塞贝克效应，通过材料中的载流子运动进行发电。其中半导体材料应用最为广泛，将P 型材料和N 型材料的一端相连形成一个PN 结，并使之处于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端载流子浓度高于低温端，形成浓度差，载流子就开始向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差，这样就完成了热电转换。
2 温差发电技术应用现状
这项技术自从1821年塞贝克效应被发现以来，国外就对温差发电相关问题进行了大量研究并取得一系列重大成果。但是在我国这方面研究起步比较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究。早期的温差发电技术主要应用于航空航天，军事等方面，以上领域对成本要求不高，再高的成本也能接受。而随着高性能的热电材料出现，大大降低了温差发电系统的成本，进而可以应用在工业和民用方面。虽然成本降低了，但是技术相对并不成熟，大范围的推广与使用还未实现，只有少部分企业和科研院所能够使用这项技术。早在1984年日本东京发电公司就设计制造出了利用工业余热工作的温差发电机组[1]。在我国研究的过程中，王佐民[2]进行效率分析得出结论， 温差发电技术用于火力发电能够使火力发电厂总的效率得到提高。但研究至今在我国工业生产中应用温差发电技术的还是少数。温差发电技术在低品位能源利用方面具有不可比拟的优势，例如：无噪声，无污染，结构简单，寿命长等诸多优点，必将使其在节能环保等领域占有一席之地。
3 温差发电技术存在的问题及改进措施
3.1 发电效率
目前的温差发电效率较低，一般为5%～7%[3]，相比于火力等主流发电方式还远远不够。所以若应用于工业生产等大范围领域也只能处于辅助发电地位，主要目的在于节能。发电效率提高主要因素在两个方面：热电材料的性能和冷端散热量。
3.1.1 热点材料的性能。为温差发电系统的整个核心就在于热点材料的选用。拥有优良性能的热点材料可以大大提高发电效率。ZT值是衡量热电材料好坏的参数，值越高材料的热电转换效率越高。目前使用最广泛的材料是Bi2Te3，它的ZT值在1左右，用此材料做成的系统发电效率不超过10%。若希望温差发电效率跟传统发电方式相差不多的话，ZT值应保证在3左右。因此科研人员在积极寻找更好的热电材料。目前研究比较多的材料有：纳米热电材料、钴基氧化物、准晶体材料等。
3.1.2 冷端散热量。根据塞贝克效应原理，冷热端温差越大，发电效率越高。鉴于热端是回收的工业废热，温度一般都不变，因此问题的关键在于降低冷端温度，即如何更好地使冷端散热是我们需要考虑的。目前主要散热方式有液冷、风冷和相变冷却[4]。
风冷应用广泛，主要设备就是冷却塔。在冷却塔内部热水被喷射成雾状，与逆向流动的空气进行换热。被冷却的水可以循环利用。对流换热系数可以通过提高风速的方式来增大，同时翅片散热器面积可以适当减小，其简单的结构易于实现。
液冷比风冷的效果好，是因为液体的比热比气体的大得多，也就是说同样单位的液体比气体能带走更多的热量。对流换热系数与流速有关，流速越大，对流换热系数越大。冷却与被冷却两种液体通过换热器进行换热，普遍采用壳管式换热器，散热效果良好。
相变散热是近几年逐渐被推广的新型散热方式，主要原理为相变材料在发生相变时吸收大量热量，从而达到冷却目的。但应用范围有所限制，主要用于某些间歇式工作设备。根据目前研究进展来看，带相变的热虹吸管效果最好，能够有效减小热阻，强化散热。
3.2 机械应力
由于要达到较好的发电效率，冷热端的温差势必要增大，这就造成了连接片的热胀冷缩效应。冷端连接片往往会收缩而热端相反，由于机械应力的存在使得接头或PN节产生断裂，进而造成温差电偶的损坏。材料的机械应力是客观存在的，无法完全消除，所以只能对温差电偶进行相应的改造：1）使用柔性链接方式，中间可设置伸缩结构或开出一小缺口，从而克服机械应力带来的影响；2）积极寻找替代材料，使用硬度较低的材料，通过自身的柔性来克服应力影响。
3.3 发电机匹配
发电机输出功率与整个系统各个参数有关，如冷热端温差、回路电流、接触热阻、负载电阻等。在不同的工作条件下，温差发电器的性能差别很大，如何寻找适合发电器工作的最佳参数区是亟待解决的问题。潘玉灼等的研究成果表明：采用非平衡态热力学优化控制最匹配参数工作条件下输出功率和发电效率可分别提高39%和20%[5]。
3.4 热设计
高温与湿气的影响。高温会引起周围杂志向热电材料扩散，从而引起热电材料的塞贝克系数减小。现今的解决办法是在连接片与元件的端部镀镍[6]。湿气会使得在焊接处产生原电池进行腐蚀，损坏设备。可以使热电元器件工作在真空中或进行密封处理。
4 结论
工业烟道中低于450℃的水蒸气无法推动涡轮机发电，都是废热，而且低于100℃的废水大多直接排放，余热利用率不高，造成严重热污染。工业生产使用废热进行温差发电，可降低企业成本，提高能源的利用率，同时能改善环境。内燃机等热力设备所产生的能量大约有50%通过烟气扩散到了大气中。钢铁工业、纺织工业和水泥产业等在生产过程中普遍有大量废热浪费掉。研究表明应用温差发电技术进行再利用可以有效利用废热中10%～20%的能量[7]。作为一种绿色环保的发电方式，近年来在工业领域的应用发展迅速。尽管目前温差发电效率普遍低于10%，但随着性能优良的热电材料的出现以及制造工艺的逐步完善，在工业生产中大规模使用温差发电系统是必然趋势，温差发电技术将会在低品位能源利用方面做出巨大贡献。
参考文献：
[1] 郑艺华，马永志.温差发电技术及其在节能领域的应用[J].节能技术. 2006，24（2）：142-145.
[2] 王佐民.温差发电器应用于火力发电厂的分析[J].节能技术.2004，22（3）：38-39.
[3] 王长善.几种新能源发电技术[J].农村电气化.2008（5）：53-54.
[4] 胡韩莹.朱冬生.热电制冷技术的研究进展与评述[J].制冷学报.2008，29（5）：1-7.
[5] 潘玉灼.林比宏.结构参数与不可逆性对热电发电器性能的影响[J]. 泉州师范学院学报（自然科学版）.2006，24（6）：13-18.
[6] 张建中.温差制冷器的可靠性研究[J].电源技术.1995，19（5）：39-42.
[7] 张腾，张征.温差发电技术及其一些应用[J].能源技术.2009，30（1）：35
-39.
作者简介：
种道坤（1992-），男，汉族，陕西西安人，本科，研究方向：建筑环境与设备工程。
关键词： 节能减排；温差发电；工业废热；措施；
中图分类号：TB4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）0110213-01
1 温差发电原理
温差发电的基础是塞贝克效应，利用热电材料的塞贝克效应，通过材料中的载流子运动进行发电。其中半导体材料应用最为广泛，将P 型材料和N 型材料的一端相连形成一个PN 结，并使之处于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端载流子浓度高于低温端，形成浓度差，载流子就开始向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差，这样就完成了热电转换。
2 温差发电技术应用现状
这项技术自从1821年塞贝克效应被发现以来，国外就对温差发电相关问题进行了大量研究并取得一系列重大成果。但是在我国这方面研究起步比较晚，主要集中在理论和热电材料的制备等方面的研究。早期的温差发电技术主要应用于航空航天，军事等方面，以上领域对成本要求不高，再高的成本也能接受。而随着高性能的热电材料出现，大大降低了温差发电系统的成本，进而可以应用在工业和民用方面。虽然成本降低了，但是技术相对并不成熟，大范围的推广与使用还未实现，只有少部分企业和科研院所能够使用这项技术。早在1984年日本东京发电公司就设计制造出了利用工业余热工作的温差发电机组[1]。在我国研究的过程中，王佐民[2]进行效率分析得出结论， 温差发电技术用于火力发电能够使火力发电厂总的效率得到提高。但研究至今在我国工业生产中应用温差发电技术的还是少数。温差发电技术在低品位能源利用方面具有不可比拟的优势，例如：无噪声，无污染，结构简单，寿命长等诸多优点，必将使其在节能环保等领域占有一席之地。
3 温差发电技术存在的问题及改进措施
3.1 发电效率
目前的温差发电效率较低，一般为5%～7%[3]，相比于火力等主流发电方式还远远不够。所以若应用于工业生产等大范围领域也只能处于辅助发电地位，主要目的在于节能。发电效率提高主要因素在两个方面：热电材料的性能和冷端散热量。
3.1.1 热点材料的性能。为温差发电系统的整个核心就在于热点材料的选用。拥有优良性能的热点材料可以大大提高发电效率。ZT值是衡量热电材料好坏的参数，值越高材料的热电转换效率越高。目前使用最广泛的材料是Bi2Te3，它的ZT值在1左右，用此材料做成的系统发电效率不超过10%。若希望温差发电效率跟传统发电方式相差不多的话，ZT值应保证在3左右。因此科研人员在积极寻找更好的热电材料。目前研究比较多的材料有：纳米热电材料、钴基氧化物、准晶体材料等。
3.1.2 冷端散热量。根据塞贝克效应原理，冷热端温差越大，发电效率越高。鉴于热端是回收的工业废热，温度一般都不变，因此问题的关键在于降低冷端温度，即如何更好地使冷端散热是我们需要考虑的。目前主要散热方式有液冷、风冷和相变冷却[4]。
风冷应用广泛，主要设备就是冷却塔。在冷却塔内部热水被喷射成雾状，与逆向流动的空气进行换热。被冷却的水可以循环利用。对流换热系数可以通过提高风速的方式来增大，同时翅片散热器面积可以适当减小，其简单的结构易于实现。
液冷比风冷的效果好，是因为液体的比热比气体的大得多，也就是说同样单位的液体比气体能带走更多的热量。对流换热系数与流速有关，流速越大，对流换热系数越大。冷却与被冷却两种液体通过换热器进行换热，普遍采用壳管式换热器，散热效果良好。
相变散热是近几年逐渐被推广的新型散热方式，主要原理为相变材料在发生相变时吸收大量热量，从而达到冷却目的。但应用范围有所限制，主要用于某些间歇式工作设备。根据目前研究进展来看，带相变的热虹吸管效果最好，能够有效减小热阻，强化散热。
3.2 机械应力
由于要达到较好的发电效率，冷热端的温差势必要增大，这就造成了连接片的热胀冷缩效应。冷端连接片往往会收缩而热端相反，由于机械应力的存在使得接头或PN节产生断裂，进而造成温差电偶的损坏。材料的机械应力是客观存在的，无法完全消除，所以只能对温差电偶进行相应的改造：1）使用柔性链接方式，中间可设置伸缩结构或开出一小缺口，从而克服机械应力带来的影响；2）积极寻找替代材料，使用硬度较低的材料，通过自身的柔性来克服应力影响。
3.3 发电机匹配
发电机输出功率与整个系统各个参数有关，如冷热端温差、回路电流、接触热阻、负载电阻等。在不同的工作条件下，温差发电器的性能差别很大，如何寻找适合发电器工作的最佳参数区是亟待解决的问题。潘玉灼等的研究成果表明：采用非平衡态热力学优化控制最匹配参数工作条件下输出功率和发电效率可分别提高39%和20%[5]。
3.4 热设计
高温与湿气的影响。高温会引起周围杂志向热电材料扩散，从而引起热电材料的塞贝克系数减小。现今的解决办法是在连接片与元件的端部镀镍[6]。湿气会使得在焊接处产生原电池进行腐蚀，损坏设备。可以使热电元器件工作在真空中或进行密封处理。
4 结论
工业烟道中低于450℃的水蒸气无法推动涡轮机发电，都是废热，而且低于100℃的废水大多直接排放，余热利用率不高，造成严重热污染。工业生产使用废热进行温差发电，可降低企业成本，提高能源的利用率，同时能改善环境。内燃机等热力设备所产生的能量大约有50%通过烟气扩散到了大气中。钢铁工业、纺织工业和水泥产业等在生产过程中普遍有大量废热浪费掉。研究表明应用温差发电技术进行再利用可以有效利用废热中10%～20%的能量[7]。作为一种绿色环保的发电方式，近年来在工业领域的应用发展迅速。尽管目前温差发电效率普遍低于10%，但随着性能优良的热电材料的出现以及制造工艺的逐步完善，在工业生产中大规模使用温差发电系统是必然趋势，温差发电技术将会在低品位能源利用方面做出巨大贡献。
参考文献：
[1] 郑艺华，马永志.温差发电技术及其在节能领域的应用[J].节能技术. 2006，24（2）：142-145.
[2] 王佐民.温差发电器应用于火力发电厂的分析[J].节能技术.2004，22（3）：38-39.
[3] 王长善.几种新能源发电技术[J].农村电气化.2008（5）：53-54.
[4] 胡韩莹.朱冬生.热电制冷技术的研究进展与评述[J].制冷学报.2008，29（5）：1-7.
[5] 潘玉灼.林比宏.结构参数与不可逆性对热电发电器性能的影响[J]. 泉州师范学院学报（自然科学版）.2006，24（6）：13-18.
[6] 张建中.温差制冷器的可靠性研究[J].电源技术.1995，19（5）：39-42.
[7] 张腾，张征.温差发电技术及其一些应用[J].能源技术.2009，30（1）：35
-39.
作者简介：
种道坤（1992-），男，汉族，陕西西安人，本科，研究方向：建筑环境与设备工程。