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温差发电|技经观察｜23岁中国博士生“辐射制冷”发电取得新突破

温差发电|技经观察｜23岁中国博士生“辐射制冷”发电取得新突破
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近期 ， 美国光学协会的《光学快报》发表了南京大学物理系毕业生、正在美国斯坦福大学攻读博士的范铃羚的研究成果 。 范铃羚及其研究团队利用“辐射制冷”的原理 ， 提出了一种高效发电系统 ， 这套系统可以实现每平米超过2W至3W左右的功率密度 ， 比此前业界报道的相同原理的实验结果高出两个数量级 ， 是该领域的巨大突破 。 目前 ， 该系统足以为一些LED照明器件、模块化传感器等持续供电 。 未来 ， 该技术或可与太阳能发电相结合 ， 为诸如移动通信基站、卫星等设备的低功耗传感器24小时提供电能 。
一、“辐射制冷”技术基本原理
根据经典热辐射理论 ， 一切温度高于绝对零度的物体都会以电磁波的形式向外发射能量 ， 通过与高温热源或低温冷源间辐射换热 ， 物体可以获得热量或者冷量 。 由于外太空的背景温度接近绝对零度 ， 约为2.7K ， 是一个巨大的冷源 ， 而地球表面温度约300K ， 它们之间巨大的温差在使地球表面冷却的同时 ， 这种热量的“定向流动”也可产生电量 ， 为人所用 。
“辐射制冷”指物件透过辐射散去热能的过程 ， “辐射制冷”发电利用了塞贝克效应（又称第一热电效应 ， 指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象） 。 塞贝克效应的成因可以解释为在温度梯度下导体内的载流子从热端向冷端运动 ， 并在冷端堆积 ， 从而在材料内部形成电势差 ， 同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流 ， 当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时 ， 半导体两端形成稳定的温差电动势 。 半导体的温差电动势较大 ， 可用作温差发电器 。
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“辐射制冷” 原理图 来源：Optics Express
二、范铃羚团队“辐射制冷”发电取得突破
范铃羚团队在“辐射制冷”发电方面取得突破 ， 其基础是范铃羚的导师范汕洄此前的研究成果 。 范汕洄团队于2013年提出了一种“辐射制冷”技术 ， 这是一种无需任何电力输入即可进行冷却的被动制冷策略 。 研究人员发明了一种集成光子太阳反射器和热发射体组成的7层材料薄膜 ， 把这种薄膜置于建筑物屋顶 ， 就能让建筑物内部的热辐射远红外光（8-13微米）散发出去 ， 同时还能反射外部太阳光 。 实验证明 ， 在直射阳光下 ， 辐射冷却材料能实现低于周围空气温度近5摄氏度的效果 。
范铃羚的“辐射制冷”发电成果是在范汕洄研究基础上的延展 。 范铃羚团队通过多层材料和结构的创新 ， 使得热电发生系统能够把热量尽可能多地输入进来 ， 也能够把热量最大化地发射到外空 ， 这之中的关键是通过一些材料的设计创新实现了选择性消光 ， 即把热端的能量集中在一些特定的波段和角度进行发射 ， 从而克服大气层的吸收以及一些其他的消耗 ， 把能量最高效地发射到外太空去 。 借助热量的流动 ， 热电发生系统的冷热两端形成了温差 ， 内部材料的热电转化部件利用塞贝克效应即将热能转化为电能 。
这套热电发生系统转换效率约为5%-8% ， 实现了每平米超过2W至3W左右的功率密度 ， 足以为一些LED照明器件、模块化传感器等持续供电 ， 这一数值比此前业界报道的相同原理的实验结果高出两个数量级 ， 是该领域的巨大突破 。
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范铃羚 “辐射制冷” 发电原理 来源：范铃羚
三、温差发电已有应用 ， “辐射制冷”发电技术将进一步扩展其应用范围
（一）与太阳能发电结合 ， 提供全天候电能
近年来 ， 随着太阳能发电技术愈发成熟 ， 其已成为世界各主要经济体电网的重要组成部分 。 太阳能发电主要包括太阳能光发电和太阳能热发电 ， 其具有资源充足、应用广泛、安全、清洁和技术可靠等优点 ， 功率密度可达每平米180W左右 。 缺点是稳定性差 ， 没有太阳时 ， 它便不能发电或者发电量很小 ， 影响了用电设备的正常使用 。 而将“辐射制冷”发电与太阳能发电结合 ， 可随时为太阳能发电设备降温、延长太阳能发电设备寿命的同时 ， 还可产生一定量电能 ， 可为远地自动无线电接收装置、自动天气预报站、微波中继站和无人航标灯等微型、小型设备提供全天候的电能 。
（二）利用余热、废热发电
随着工业化进程的加快 ， 各种制造业和加工业生产过程中产生的废气和废液成倍增加 ， 其中的余热、废热相当可观 ， 工业余热的合理利用是解决能源短缺问题的一个重要途径 。 利用温差发电技术进行工业余热发电 ， 可降低成本、提高能源的利用率 ， 具有可观的经济效益和环境效应 。
例如 ， 火力发电厂热效率一般为30%至40% ， 用传统的热机做功发电方式很难使发电效率进一步提高 ， 如果利用锅炉炉膛的特殊结构在发电系统中加入温差发电器 ， 锅炉炉膛内部1000℃的高温端与100℃至300℃低温端炉膛水冷壁持续存在温差 ， 利用其进行温差进行发电 ， 可进一步提高系统发电效率 。 目前已有应用于电站锅炉炉膛内的碱金属热电转换器 ， 可提高系统发电效率5%至7% 。
同理 ， 汽车产生的余热也可被利用 ， 从而更有效地利用能源 。 汽车发动机排气所带走的热量占所消耗的燃料产生热量的40% ， 残余废气的温度约在800℃左右 ， 可以利用温差发电技术回收尾气余热进行发电 。 研究表明 ， 轻型车废气温度达到700℃ ， 废气流速达到20g/s ， 中型车废气温度达到512℃ ， 废气流速达到30g/s时 ， 利用温差发电能达到5-6kW的电能 。
目前 ， 美国、日本等国家已开展了相关研究并制作了原型 ， 其中包括GM、BMW和Nissan等汽车业巨头 。 他们使用价格昂贵的高温热电材料提升热电转换效率 ， 如BMW以高温热电材料覆盖发动机外壁直接从发动机机体回收热量 ， 可回收十几千瓦的能量 ， 高效回收的电能超出了一辆汽车所需要的正常用电 ， 多出来的这部分可以储存作为汽车辅助动力从而形成混合动力区驱动车辆 。
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（三）温差发电在航天领域的应用
航天器常用的供能方式是太阳能供电 ， 但这种方式往往只适用于工作在有一定太阳辐射量的空间中的航天器 ， 在太阳能电板接收不到太阳辐射而无法发挥作用时 ， 尤其是小型航天器在执行外层空间探测任务时 ， 同属于塞贝克效应的同位素温差发电器便成为最佳动力源 。 同位素温差发电器利用放射性同位素衰变时产生的热量经塞贝克效应转变成电能 ， 具有性能可靠、热源稳定、寿命长和能量密度高等优点 。
在这方面 ， 前苏联和美国是研制和使用同位素温差发电器最多的国家,自1961年以来,仅美国在太空飞行中使用的同位素温差发电器就达40个,这些同位素温差发电器的输出功率为2.7至300W,最长的工作时间已超过30年 。 1977年8月20日发射的旅行者2号行星际飞行器,使用238Pu同位素温差发电器,已成功飞越了木星、土星、天王星和海王星,现已飞出太阳系,温差发电器仍在正常工作 。
近年来 ， 美国在放射性同位素温差发电器研究领域处于领先地位 。 2003年6月10日和7月7日分别发射的两个火星探测器“勇气”号和“机遇”号 ， 以及2006年2月18日发射的、用于探索冥王星的“新视野”号行星探测器均采用放射性元素钚衰变经温差发电器为探测器提供电力 ， 其中“勇气”号和“机遇”号上各装配8台Pu放射性温差发电器 ， 每台发电器能提供1W的电力 ， 以确保两探测器上的电子仪器和运行系统能安全度过火星夜晚（-105℃） ， 使其能维持在55℃以上的工作温度 。 “新视野”号上的温差发电器更是能提供30V、240W的电力 。
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“勇气”号火星探测器模拟图
我国的探月二期工程也采用了同位素温差发电器提供动力 ， 提供常值负载和CPU用电 ， 而余下的热量还可以给航天器系统中科学仪器及平台保温 ， 使其能在月夜极端低温环境（-170℃）中正常工作 。
（四）温差发电在军事领域的应用
温差发电所具备的无声音、无振动、隐蔽、多场景适用等特点 ， 使得其在军事领域具有广泛应用 。 20世纪80年代初 ， 美国就完成了500W至1000W军用温差发电机的研制 ， 并于80年代末正式列入部队装备 ， 它可在深海中为无线电信号转发系统供电 ， 而该系统是美国导弹定位系统网络的一个组成部分 ， 其设计工作深度达10公里 ， 工作功率大于1W ， 寿命在10年以上 。 Hi-Z公司也为军方开发了基于量子点原理制造的高性能微型温差发电模块 ， 用于船载多种无线传感器的电源供给 ， 这些传感器肩负着监测断裂、腐蚀、撞击破坏以及温度漂移等多项任务 。 在这之中 ， 温差发电机满足了其对电源尺寸、重量、泄露和寿命等多方面极高的要求 。 陆军方面 ， 从1999年开始 ， 美国能源部启动了“能源收获科学与技术项目” ， 研究利用温差发电模块将士兵的体热收集起来用于电池充电 。 目前该研究项目已取得了多项研究成果 。
四、温差发电技术展望
温差发电技术可以灵活利用各种不同等级和形式的热能 ， 适用于太阳能、地热能、海洋温差、工业余热、汽车废热、人体热能等 。 与传统发电方式相比 ， 温差发电技术结构简单 ， 无机械运动部件 ， 运行寿命长 ， 可靠性高 ， 绿色环保 ， 能够满足对中小发电量的需求 ， 有较大的发展潜力和广阔的应用前景 。 为规避当前存在的转换效率低、成本高等缺点 ， 应在以下方面开展研究：一是利用传统半导体能带理论和现代量子理论 ， 对具有不同晶体结构的材料进行赛贝克系数、电导率和热导率的计算 ， 以在更大范围内寻找热电优值更高的热电材料；二是进一步研究热电材料的微观结构和制造工艺对热电性能的影响 ， 开发新型的超晶格热电材料和纳米热电材料提高材料的热电性能；三是加强器件的制备工艺研究 ， 降低成本 ， 促进热电材料的产业化应用进程；四是积极研发新型的温差发电系统和结构 ， 如热电共生系统、高能量密度温差发电模块、加热循环热电燃烧系统等 ， 采用强化热电直接转换技术开发出大功率、高性能和高经济性的转换器件和转换系统 。
参考文献
[1]陈允成.半导体温差发电器应用的研究[D].厦门大学,2006.
[2]废热半导体温差发电技术的研究与开发[D].重庆大学,2008.
[3]黄志勇,吴知非,周世新.温差发电器及其在航天与核电领域的应用[J].原子能科学技术,2004:46-51.
[4]张洗玉,王旭,陈国庆.基于塞贝克效应的热电转换仪器的研制[J].仪表技术与传感器,2018:32-35.
[5]吕楠,刘佐濂,揭海,张成云.基于塞贝克效应的热电转换装置[J].大学物理,2020,39(06):74-77.
作者简介
张宇麒 ， 国务院发展研究中心国际技术经济研究所数据部 ， 研究助理
研究方向：能源领域战略、技术和产业前沿
联系方式：zhangyuqi@drciite.org
作者丨 张宇麒
编辑丨 刘瑾
研究所简介
国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月 ， 是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构 ， 主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题 ， 跟踪和分析世界科技、经济发展态势 ， 为中央和有关部委提供决策咨询服务 。 “全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号 ， 致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见 。
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