Sustainable Energy
Vol.2 No.2(2012), Article ID:582,7 pages DOI:10.4236/se.2012.22007
Brief Review of Solid State Thermal Electric Energy and Applications in Solar Electricity
1China Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing
2 Institute of Computer Science and Technology, Soochow University, Suzhou
Email: *ajjin@hnceri.com
Received:Feb. 3rd, 2012; revised: Feb. 20th, 2012; accepted: Mar. 2nd, 2012
ABSTRACT：
Solid state thermal electric generation (TEG) technology directly convert thermal energy to electrical energy. TEG is advantageous in terms of its small size, silent operation and high reliability over traditional sterling-driven thermal electric generators. Furthermore, TEG is one of green technologies with broad applications. In this paper, we compare solar TEG with other solar energy technologies in compelling market values. Moreover, we’ll illustrate the principle and the key technology of solar TEG. We will further review the progress of the solar energy project benefited from a dedicated grant for 1000-plan expert in the China Huaneng Group. This project is lead by the expert of the national 1000-plan in related areas, is to develop products with added IP values, and is to provide a competitive energy solution with TEG technology.
Keywords: Thermoelectric Generation; Solar Energy; China Huaneng Group; 1000-Plan
固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述
金安君1*，彭文博1，刘大为1，许世森1，常宇春2，张宏斌2
1中国华能集团公司清能院光伏及热电研究所，北京
2苏州大学计算机科学与技术学院，苏州
Email: *ajjin@hnceri.com
摘 要：
固体温差发电(TEG)技术是利用塞贝克效应直接将热能转化为电能。TEG的设备具有体积小、无噪声、可靠性高等特点。该技术用绿色环保的发电方式，具有广阔的应用前景。其中对太阳能热的利用是温差发电技术近年发展起来的应用和市场热点。本文对比了温差发电技术与其它太阳能发电方式的异同、并综述讨论太阳能温差发电原理和关键技术。介绍华能集团以国家“千人计划”专家为核心、在开发技术领先的具有市场竞争力的太阳能温差发电解决方案。
收稿日期：2012年2月3日；修回日期：2012年2月20日；录用日期：2012年3月2日
关键词：温差发电；太阳能；华能集团；千人计划
1. 引言
日益增长的能源消费，特别是煤碳、石油等化石燃料的广泛大量使用，对环境和全球气候带来的巨大影响。使得人类的环保面临严峻威胁。开发绿色新能源，为人类社会的进步提供可持续的发展动力，是当今国际社会所探讨可持续发展的共同主题。
太阳能是一种绿色的可再生能源，其每秒到达地面的能量相当于燃烧500万吨标准煤所产生的热量。而且，据预计太阳的辐射输出在100亿年内可近似保持恒定，可以说太阳能是完全取之不尽、用之不竭的绿色能源。根据国际能源署预计[1,2]，到2050年太阳能发电占全球电力供应的比重将达到25%以上。另据报道，即将出台的《可再生能源发展“十二五”规划》中要求到2015年我国的太阳能发电装机达到1000万千瓦，到2020年达到5000万千瓦。此外《规划》还提出：到“十二五”末太阳能屋顶发电装机要达到300万千瓦，到2020年达到2500万千瓦。
在太阳能的诸多发电方式中，目前应用较广的是太阳能光伏发电技术(PV)和太阳能聚光热发电技术(CSP)。同时，太阳能温差发电技术(STEG)由于其低成本，高效率的特点，成为了近年来引起广泛关注的太阳能发电新技术[3,4]，未来有望成为继PV和CSP之后的第三类巨大的太阳能利用技术。
温差发电(TE)的技术投入应用已经超过了50年的历史，其工作原理最早发现于十九世纪上半叶[5]。目前TE应用产品主要以分布式的形式被广泛应用于一些热能发电领域如航天应用。如德国的BMW、美国的GM公司利用Hi-z公司提供的热电模块以及BSST公司的技术方案为汽车安装了利用尾气废热发电的装置，在平稳高速运行时可以达到800 W的输出功率；日本的Plantec、Showa Denko和Komatsu等公司合作开发了用于垃圾焚化炉热能发电或温泉、地热热能发电的装置，单机容量150~1500 W；日本的Komatsu公司利用自身开发的新型廉价热电材料制作了用于锅炉余热的发电设备，可以长期工作在700℃以上，单机的发电功率达到500 W。中国的Thermonamic公司为国内外多个中小型炼焦和化工企业制造了用于废热回收的温差发电机，单机功率500 W，装机成本仅3元/Wp。随着温差发电技术应用的逐步成熟以及对太阳能发电技术需求持续增长，可以说，温差发电技术与太阳能发电技术结合基础已基本成熟。据Nature Materials在2011年的报道[6]，平板式的太阳能温差发电器在AM1.5条件下测试得到的转换效率以达到4.6%，比之前报道的效率指标高7~8倍，已进入效率迅速提升的发展轨道。如果采用聚光系统提高器件热端温度，将进一步加速这一进程。
2. 不同太阳能发电技术比较
光伏发电技术(PV)利用半导体PN结的光生伏特效应直接将太阳能转换为电能，是系统结构最简单的太阳能利用技术。由于其固态发电和可无人值守的特点，除了在大型地面光伏电站中使用外，特别适于与建筑物相结合，就近向用户提供清洁电力。但是光伏产业链中的高成本、高能耗和易污染的问题始终难以很好的解决，限制了光伏发电的推广应用。即便如此，2011年我国仍实现了2.9 GW[7]的光伏装机，说明我国对太阳能电力的迫切需求。
太阳能聚光热发电技术(CSP)是利用聚光镜场逐渐加热水或油等工质，通过热交换产生高温高压的蒸汽推汽轮机做功产生电能。另外，高温温度有储热用来稳定、管理其温度稳定性。CSP技术与传统的热能发电技术相兼容，可以直接提供易于被电网所接纳的稳定的交变电力，同时避免使用化石燃料和昂贵的太阳电池，特别适合在大规模太阳能发电站的应用。但是CSP发电系统结构复杂，噪声大，同时需要使用大量的水资源和运行人员，不适合在城市屋顶以及荒漠地区使用。作为接近成熟的太阳能发电方式，逾GW的CSP电站已在世界范围内建立。我国多个省区也正在进行大规模CSP电站的筹建工作。
太阳能温差发电技术(STEG)利用半导体的塞贝克效应，通过聚光镜集热或平板式集热，依靠高效热电芯片把太阳热能转化为电能。该技术综合了PV和CSP的特点，使用简单的固态发电的方式，既避免的了运动部件带来的噪声和人力值守的需求，如表1所示，该技术可避免昂贵的光伏发电组件。STEG可以广泛应用于如地面大型太阳能电站，建筑物屋顶电站以及便携式太阳能发电设备等。可以说STEG技术丰富了太阳能的利用方式，该技术的进步和成熟对于满足我国日益增长的对清洁能源尤其是太阳能的利用需求有重要的意义。
3. 太阳能温差发电技术的
3.1. 温差发电原理
温差发电的基础是塞贝克效应，即在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时(存在温差Th―Tc)，回路中将产生温差电动势VTE，电动势的大小由下式决定：
(1)
其中α为两种材料相对应的塞贝克系数，单位是V/K。Th、Tc分别是在高温、低温端的温度。将负载R接入加上到热电电路的内阻r。由此温差电动势VTE将使
Table 1. Comparison of solar PV, STEG, and many other electric generation technologies
表1. 不同的太阳能发电技术之间以及与其它发电技术的比较
整个回路中形成电流I。
(2)
从而使热能转变为电能流入负载R。
通过优化负载电阻R的大小，可以得到最大热电转换效率ηTE为[9]：
(3)
其中Z为热电优值，
，ρ和κ分别为材料的电阻率和热导率。ZT为无量纲值，T是二端温度的平均值。
实际应用中常选择具有接近的兼容度因子[10]的P和N型，如图1的TEG和图2的模块所示，半导体材料交替排列组成热电堆，以获得更大热电转换功率和效率，这即是热电模块。
Figure 1. Illustration of semiconductors thermal electric generator (TEG) device
图1. 半导体温差发电原理示意图
Figure 2. Typical structure shows a TEG module
图2. 热电模块的典型结构示意图[11]
3.2. 太阳能温差发电器件
太阳能温差发电器件采用聚光装置将太阳光聚焦于热电模块的热端，形成较高的热流密度输入以及较高的热端温度，依靠热电模块完成热电转换，从而实现太阳能转化为电能输出。
与太阳电池类似，太阳能温差发电器件的竞争力取决于其单位功率的成本，而其成本又同样决定于材料成本和光电转换效率两个方面。
在材料用量方面，据测算[6]，基于Bi2Te3材料的STEG模块，其每个热电对耗材为0.04克，功率为60 mWp，按Bi2Te3市场售价675元/公斤估算，每瓦STEG模块的材料成本为0.45元，远低于目前晶体硅太阳电池的每瓦材料成本。
由于STEG的每瓦材料用量很少，因此决定其成本的关键即是其光电转换效率η。根据STGE的原理，其光电转换效率为其光热转换效率及热电转换效率之积，即：
(4)
其中热电效率由4式给出，而光热效率又等于光学效率与热学效率之积[6]：
(5)
其中τ为聚光器的透光率或反光率，α为吸收系数，ε为光吸收层的有效辐射系数，σsb为斯特藩-波尔兹曼常数，Tamb为环境温度，Copt为聚光比，qi为太阳辐射功率密度。可见，Th在整个器件的光电转换效率中非常重要，一方面热电效率随着Th的增大而增大，另一方面光热效率又随Th的增大而减小，如何解决这一矛盾也就成为了提高STEG发电效率的关键。由此引申如下两种涉及STEG热端的关键技术：
1) 聚光技术
使用适当的聚光技术有助于获得较高的热端温度Th，进而提高器件的热电效率。适合于STEG应用的聚光方式主要有圆形碟式反射聚光、圆形菲涅尔透射聚光两种、并分别参照示意图3及示意图4。这两种聚光方式均需要集成双轴太阳跟踪系统，聚光光斑均为点状，适合微型化的热电模块使用。同时聚光倍数可设置在50~1000倍的较宽范围内，利于STEG的整体优化设计。但是该两种技术路线的应用背景有所区分：图3(a)的碟式STEG装置可以实现折叠收纳(见图3(b))，有利于在便携式太阳能发电领域应用；而图4(a)的菲涅尔式STEG装置为模块化结构(见图4(b))，易于实现大容量集成，适合应用于大规模太阳能发电站。
(a)
(b)
Figure 3. (a) Structure of STEG with parabolic dish concentrator; (b) Portable parabola STEG applications[12]
图3. (a) 碟式聚光STEG结构示意图；(b) 便携式碟式STEG样机示意图[12]
(a)
(b)
Figure 4. (a) Schematics of fresnel-lens concentrator in a STEG system; (b) Illustrate a Fresnel-lens concentrator module
图4. (a) 菲涅尔透镜聚光STEG结构示意图；(b) 菲涅尔透镜聚光模块
2) 集热技术
在高倍聚光造成热端温度升高的同时，往往伴随有更高的热辐射和对流损失，造成光热效率的减少。为了提高热端吸热量的同时减少散热量，主要有如下几种方式：
a) “人造黑体腔”结构。如图5(a)所示，光线透过涂有减反射涂层的石英窗口进入腔体，照射在高α的吸热涂层上，高温吸热涂层放出的热辐射被涂有热反射涂层的内壁不断反射困在腔体内不能逸出，最终还是被吸热涂层所利用；同时人造黑体的外壳使用低ε的材料，进一步减少了热能散失。
b) 选择性吸收涂层。如图5(b)所示，通过多层膜系中光在不同膜层的相互干涉，实现在2.1微米以下的光吸收率高(α > 0.95)，而2.1微米以上的辐射系数小(ε < 0.1)，实现对太阳光谱选择性吸收的目的，既增加热端温度又降低热辐射损失。
c) 真空集热腔。如图5(c)所示，热电芯片被封装在玻璃真空腔内，真空环境起到了绝热的作用，减少了高温段的热对流损失。
以上三种技术可以集成使用，以获得更好的集热效果。
3.3. 温差–光伏联合太阳能发电技术
太阳能温差发电技术除了独立使用外也可以与其它发电系统集成使用，如温差与光伏联合发电系统[13]。光伏发电一般只能转换可见光和近红外区的光能，长波光完全透过，而短波光虽然能被吸收但最终会变成热能，不但不能作为电能输出而且会降低太阳电池的转换效率。可以使用温差发电模块利用短波光或长波光产生的热量进行发电，提高该太阳能联合发电系统对太阳能的利用率。
图6是温差与光伏联合发电系统可能的两种实现形式。其中左图为串式利用结构，可利用光伏模块的发热和红外波段热量进行热电转换。右图为并式利用结构，通过分光镜分离红外光和可见光，达到热电模块和光伏模块分别利用太阳光谱的目的。
武汉理工大学张清杰等联合日本科技振兴机构以及国内多家科研单位，在内蒙古建立了基于并式利用的温差与光伏联合发电示范系统，系统功率大于5 kW，系统总光电转换效率超过20%[14]。
3.4. 太阳能温差发电系统
图7是太阳能温差发电系统的结构示意图，由于均是固态直流发电，太阳能温差发电系统与光伏发电系统工作原理是相似的。不同之处在于：1) 由于
(a)
(b)
(c)
Figure 5. (a) Blackbody concept to totally absorb light[11]; (b) Illustrating anti-reflection coating; (c) Vacuum chamber collecting heat[6]
图5. (a) 人造黑体腔[11]；(b) 减反射涂层；(c) 真空集热腔[6]
Figure 6. Hybrid system of STEG and PV cogeneration
图6. 温差-光伏联合发电系统实现形式
Figure 7. Flow chart of STEG system
图7. 太阳能温差发电系统结构示意图
STEG与PV的功率输出特性(曲线)不同，因此其最大功率点跟踪(MPPT)实现的形式会略有区别；2) 由于热电芯片的需要工作在特定的温度区间才能保证高的热电转换效率，因此在日照强度降低时，热电芯片转换效率的降幅会大于辐照度的降幅，需要采用适当的设计维持热端温度或变换热电芯片的连接方式，以避免热端温度降低造成的转换效率下降，这也是STEG发电系统设计中的关键和难点。
太阳的辐射能量密度存在周期性和随机性的变化，这就给温差发电的冷、热端温度控制带来了一定的挑战。针对这一问题，第二章提到部分热管理方案。冷端的温度控制比较简单，例如可以采用比较大功率的散热器散热，以保证在峰值日照强度下冷端温度可以控制在一个允许值以下(例如50℃)并能稳定。譬如，因为冷端温度和环境温度很接近，当日照强度降低时该温度允许小量下降。下降控制在几度内、但不会带来很大的波动。为了控制日照强度降低时的热端温度，可以采取改变热负载量的方法来提高温差发电机的总热阻和储热，使热端的温度基本恒定在一个允许的范围内。例如本公司设计了一种具有自主知识产权的热管理方案，可以通过自动监测热端温度，在输入热流密度发生变化时自动改变热电模块的接入数量，从而使得在一天的绝大多数时间热端温度可以在10度内基本稳定、合理控制。
4. 中国华能集团的太阳能发电发展现状及未来规划
中国华能集团公司作为国内最大的发电企业，一直以注重科技、保护环境作为自己的核心价值之一，长期引领着我国太阳能发电的发展。华能云南石林100 MW并网光伏电站是我国第一座并网运行的大规模光伏发电工程，其规划容量为当时的亚洲第一。此外华能集团目前在建的太阳能发电项目还包括：青海格尔木200 MW并网光伏电站，国家特许招标的甘肃金昌和宁夏青铜峡共50 MW光伏并网发电项目以及海南1.5 MWth太阳能光热电站。其中海南的光热发电项目是国内第一座也是最大规模的使用菲涅尔反射集热的直接蒸汽太阳能发电系统。
同时华能集团也是国内最早开始关注太阳能温差发电技术的电力企业。华能集团以华能清洁能源技高效温差发电芯片、低成本制造技术和高效热管理技术研究院为依托单位引进的中组部“千人计划”金安君博士在温差发电技术领域具有深厚的造诣，长期致力于太阳能温差发电技术的研发。金博士计划通过整合术，将温差发电的度电成本降低到0.8元人民币以下。目标是通过进一步技术攻关，在不久的将来开发出一套国际领先的、具有市场竞争力的太阳能温差发电解决方案。
目前在一般的温差发电技术中存在主要制约因素是发电效率低的问题，本公司拟采用的方案是使用高优值系数的纳米块体热电材料和器件构造(多级联系统热能发电与装置)，这将大大提高热电转换效率，将余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能。
5. 总结与展望
相对于其它太阳能发电技术，太阳能温差发电厂的建造和运行维护远比太阳能聚光热电厂简单和廉价，同时可以实现电厂的无人值守；与光伏技术相比，在太阳能温差发电器件的制造过程中能耗和三废的排放量相对较少，是一种很“绿色”的太阳能发电技术。虽然太阳能温差发电器件存在稀有元素使用的问题，但是经过国内外众多机构和专家的鉴定，其材料用量以及成本完全在可以接受的范围内。
目前要推广太阳能温差发电技术还存在有一些关键技术需要攻关，包括：高效级联热电芯片的集成工艺，高效的热管理技术，高效、低成本的聚光技术，以及发电系统的集成与控制技术等。相关技术在国内外已有一定的研究和应用基础，相信随着该技术产业化的推进，在产学研一体化模式的驱动下，这些技术问题都会得到较好和较快的突破。在各大电力集团和相关科研机构的持续关注和努力下，温差发电技术必然会在未来的太阳能利用领域中占据重要的一席之地。
6. 致谢
本文得到了中组部“千人计划”和中国华能集团引进“千人计划”专项项目给金安君博士的特聘人才资助。
参考文献 (References)
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NOTES
*通讯作者。