Sustainable Energy 可持续能源, 2012, 1, 83-88 http://dx.doi.org/10.12677/se.2012.24014 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/se.html) Application of Thermalelectric Device Technology in the Large Power Generation Dawei Liu1, We nbo Peng1, Qiming Li1,2, Anjun Jin1,3*, Shisen Xu1,3,4 1Huaneng Clean Energy Research Institute, Beijing 2Beijing Engineering Research Center for Efficient and Clean Use of Low-Quality Fuel, Beijing 3China Huaneng Group, Beijing 4State Key Laboratory of Coal-Based Clean Energy, Beijing Email: *ajjin@hnceri.com Received: Jul. 9th, 2012; revised: Jul. 20th, 2012; accepted: Aug. 10th, 2012 Abstract: Thermoelectric generation (TEG) is a technology which can directly convert heat flow into electricity with migration of micro-particles among dissimilar thermoelectric materials. TEG is a noiseless, reliable, space-saving, and eco-friendly power generation method, which has great potential in applications. Currently there is an important cost factor to address in order to break-through wide applications of TEG in marketplace. The cost can be under good control with a proposed high density integration of micro thermoelectric devices. Lead by a National 1000-Plan Expert, the research team from China Huaneng Group is making huge efforts in developing the fabrication technology of high efficiency and power density thermoelectric generators. TEG is renewable energy and is suitable for the utilization of waste heat recovery. Keywords: Thermalelectric Generation; Large Power Teg; Thermalelectric Device; China Huaneng Group 热电器件在大功率温差发电技术中的应用 刘大为 1,彭文博 1,李启明 1,2,金安君 1,3*,许世森 1,3,4 1中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,北京 2北京市低质燃料高效清洁利用工程技术研究中心,北京 3中国华能集团,北京 4煤基清洁能源国家重点实验室,北京 Email: *ajjin@hnceri.com 收稿日期:2012 年7月9日;修回日期:2012年7月20 日;录用日期:2012年8月10日 摘 要:温差发电是一种利用热电材料中微观粒子的迁移,将温差产生的热流直接转变为电能的技术。具有体 积小、无噪声、可靠性高等特点,是绿色环保的发电方式,具有广阔的应用前景。目前温差发电技术大规模应 用的重要制约是发电成本,而微型热电器件的高密度集成技术将是解决这一问题的有效突破口。中国华能集团 以国家“千人计划”专家为核心的研发队伍将以此为切入点,瞄准高效率、大功率热电器件制造技术进行攻关, 开发出适用于工业余热回收和可再生能源利用的大功率温差发电装置。 关键词:温差发电;大功率温差发电;热电器件;华能集团 1. 引言 1.1. 温差发电技术的市场和社会价值 当今世界上以美国、俄罗斯、日本以及欧盟为代 表的主要能源大国,不论是能源输出国还是输入国, 都将发展可再生能源作为保障国家能源安全的重要 战略方向[1,2]。我国国家中长期科技发展纲要和国家 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 83 热电器件在大功率温差发电技术中的应用 “十二五”规划纲要,都把节能减排、积极发展新能 源作为实现绿色经济转型的重点来抓[3,4]:国家“十二 五”规划中明确提出了2015 年全国单位GDP 能耗(按 2005 年价格)比2010 年下降16 %的目标;国家中长期 科技发展纲要(2006~2020)提出了重点研发包括交通 运输业等在内的主要高耗能领域的节能技术与新能 源装备的要求,并经国务院常务会议同意,将到20 20 年时单位国内生产总值二氧化碳排放量相比 2005 年 下降 40%~45%纳入约束性指标。因此,发展新型环 境友好的可再生能源及能源转换技术对于国家能源 科技战略的实现十分重要。 温差发电(或热电,Thermoelectrics)是一种利用热 电材料中微观粒子(电子或空穴)的迁移,将温差产生 的热流直接转变为电能的新技术。温差发电技术在军 事、航空航天、医学、余热和废热利用以及太阳能利 用等方面均有广泛的应用前景[4-6],并有望在未来的节 能和可再生能源利用市场占有重要的一席之地。温差 发电是完全绿色的新一代发电技术:设备制造过程无 污染、低耗能;工作中零排放、无水耗。此外温差发 电是一种固态发电技术,发电过程不含气、液循环工 质,而且没有移动部件,因此可以被制成任意大小和 形状,灵活应用于各种需要的场合[7,8]。温差发电技术 的另一个优势在于可以利用各种品质的热源,理论上 只要存在任意大小的温差便可发电,同时适应性强, 温度参数在200℃内变化都不会影响温差发电机的正 常工作。因此,温差发电技术在工业余热回收,汽车 尾气废热回收,以及地热、海洋能、太阳能等自然热 源的利用中具有广泛的应用前景,也是目前发达国家 下一代清洁能源技术研发的重点。 1.2. 大功率温差发电技术的研究现状 目前大功率温差发电技术最主要的应用是余热 回收,其中最具代表性的是汽车尾气温差发电,还包 括工业中高温余热的回收利用。美国能源部、日本宇 宙航天局等发达国家的相关部门都将热电技术列入 中长期能源开发计划。为了开发温差发电技术,促使 其成熟并进行量产,日本政府推出了“固体废物燃烧 能源回收研究计划” [9]。从2003 年起美国就开始支持 多个实验室开展高性能热电材料和应用技术的研究, 尤其是工业余热的利用。美国的通用、福特,德国的 宝马等多家大型汽车公司,均设立了汽车尾气废热回 收的项目并取得了一定的成绩[10-12]。图 1列举了一些 国际上比较具有代表性的集中利用温差发电技术进 行余热回收和可再生生能源发电的示范工程[9,10]。 热电技术已被列为国家重点基础研究(973 项目) 计划中重点发展的新能源技术;国家“十二五”规划 纲要也明确提出发展“太阳能热发电、热电转换材料” 的计划。国家的科技发展规划将推动和带动国内热电 研发水平的提升,并对国内热电工业界带来巨大的影 响。譬如清华大学、武汉理工大学的热电研发工作已 达到世界先进水平。热电工业的发展能有效地服务于 新能源产业,并为节能减排做出重要贡献。 1.3. 新型大功率热电器件开发项目重要意义 热电器件(芯片)是温差发电技术的核心部件,其 (a) (b) (c) Figure 1. Of the cases illustrated high-power TE generation as follows: (a) 1 kW waste heat thermoelectric generator developed in Japan[9]; (b) Hot spring power generation system developed by Japanese, which are comprised of several 500 W thermoelectric generators[9]; (c) 1 kW automobile exhaust thermoelectric generator developed by BMW, GM, etc.[10] 图1. 大功率温差发电技术的应用实例:(a) 日本多家企业联合研 制的 1 kW燃烧余热发电机[9];(b) 日本多家企业联合完成的温泉 热能发电工程,由多个 500 W发电单元组成[9];(c) 宝马、通用汽 车等公司联合研制的 1 kW汽车尾气发电装置[10] Copyright © 2012 Hanspub 84 热电器件在大功率温差发电技术中的应用 Copyright © 2012 Hanspub 85 功率密度、转换效率以及制造成本决定了温差发电技 术的发展前景。目前产业化热电器件的单片功率一般 在10–6~103 W量级,功率密度小于1 W/cm3,转换效 率一般在 10%以下。这些热电器件的性能参数和经济 指标如表 1所示[9-13],这些产品大都使用粉末冶金和 机械加工技术制造的常规尺度热电器件,其性能和经 济指标均还无法满足未来温差发电技术在民用和能 源领域大规模推广应用的需要。 以上的功率密度。该项目的成功将使得温差发电技术 可与传统热能发电技术相比拟,同时可使温差发电的 装机成本降至 7000 RMB/kW 以下,从而突破限制温差 发电技术的成本瓶颈,推动世界清洁 能源利用的发展。 2. 大功率热电器件开发项目的技术成果 2.1. 温差发电装置的结构 用于低温(热端温度 300℃以下)的400 W级温差 发电装置采用2 W-32.6 W-391 W的整合三级子单元 结构设计,如图2所示。热电臂采用由区域熔炼法制 作的普通工业级(或由机械合金化 + 热压烧结法制作 出的高性能——美国 GMZ 公司)p型Bi0. 5Sb1.5Te3和n型 Bi2Te3热电块为原料,热电优值系数为0.6~0.7(或1.4~ 1.5——美国 GMZ 公司)。每一级结构的制作工艺和结 构特征如下。 利用半导体材料的高密度集成技术实现大功率 热电器件的低成本大规模制造,将是解决这一问题的 有效突破口,目前世界上已经取得了一些研究进展 [8-13]。中国华能集团以中组部引进的“千人计划”专 家金安君博士为核心,瞄准高效率、大功率热电器件 进行技术攻关。项目以纳米块体材料为基础,通过半 导体微纳加工技术及多级温度区的热电转化技术,理 论上可实现 25%以上的热电转换效率及 50 W/cm3 Table 1. Typical cases of the applications of high-power TE generators 表1. 部分具代表性的大功率温差发电应用项目 序号 厂商 功率/W 效率/% 热端温度/℃ 使用材料 应用领域 价格$/W 1[10] BMW、GM BSST、Hi-z 800 6 500 Co-Sb 汽车尾气 13 2[9] Plantec、Showa Denko、Komatsu 21.6(单片) 6.2 280 n: Ce-Co-Sb p: La-Fe-Sb 焚化炉余热、温泉热 - 3[13] Thermonamic 500 4.8 250 BiTe 通用 <2 4[9] Komatsu/KELK、 Showa Cable Systems 200 7.2 280 BiTe 锅炉废热 - 5[9] Komatsu 500 10~11 700 n: Co-Sb p: Mn-Si 燃烧炉余热 - 6[11] GM、Hi-z 1000 4.5 250 BiTe 柴油机余热 11 Figure 2. The three-level design of a 391 W TE generator is shown with cascade of a typical TE device design as follows: 1) A 2 W output of sub-unit is comprised of a serials of TE modules. In one case, each module has 25 serials and 12 parallels; 2) A 32.6 W generator unit is comprised of 16 sub-units that has 4 sub-units serials where all serials are connected into parallels. The number of parallels is four; 3) A 391 W generator device is comprised of 12 each of the 32.6-power units that has 3 units serials where all serials are connected into parallels. The number of parallels is 4 图2. 391 W级温差发电装置的分级设计图如下:1) 2 W小单元由 5个模块串联组成,每个模块包含 25 串联 × 12 并联个热电对;2) 32.6 W 可拓展单元由 16 个2 W小单元组成,4组串联、4组并联;3) 391 W装置由 12(3 串4并)个32.6 W可拓展单元组成 热电器件在大功率温差发电技术中的应用 2.1.1. 2 W标准小单元 考虑到工艺的可靠性,利用微型机械加工法制作 的热电模块不易超过1 cm2,因此先制作约 2 W的小 模块。温差发电片热电臂的尺寸为100 μm × 100 μm × 350 μm。采用先串联再并联再串联的连接方式:每个 小单元包含 5个串联的热电模块,每个模块由12 组 每组 25对串联的热电臂组并联组成。一个2 W小单 元总共包含125 串12 并共 1500 个热电对,额定输出 特性为:5.15 V / 0.396 A(2.04 W),封装后外观尺寸约 为8.5 × 8.5 mm2。 该2 W小单元的制作工艺如图 3所示,首先(a) 将p、n型材料切割出 24 列凹槽,在可以承受300℃ 长期使用的液态有机粘合剂(例如聚酰亚胺树脂)的润 滑下对插起来并固化;(b) 将二维阵列上表面的n型 基座磨掉,露出相间的p、n热电材料;(c) 再次沿垂 直于上次的方向切割出4个大凹槽和 55 个小凹槽, 小凹槽目的是把p或n型材料分割成热电臂,大凹槽 的目的是将模块分割成几个串联在一起的子单元;(d) 将凹槽内再次填充液态有机填充物并固化,磨平抛光 后制作上电极;(e) 下表面磨掉p型基座,抛光后制 作底部连接电极。 2.1.2. 32.6 W可拓展单元 将4 × 4组2.04 W的小单元组成 32.6 W的可拓展 单元。如图4所示。单元的上下左右四个边上均有一 对正负电极接线柱,所有 4个正极柱或负极柱都等电 位,因此对外输出时只要将任意一个正极柱和负极柱 与负载相连即可。该32 W单元封装后外观尺寸约为 60 × 60 mm2。 2.1.3. 400 W级温差发电装置 把12 个32.6 W 的可拓展单元安装在一个中空导 热板上,组成额定功率为 391 W 的低温发电装置,外 观尺寸约为220 × 220 mm2。由于每个32.6 W可拓展 单元都具有上下左右4组正负接线柱,因此可以跟据 实际需要方便地将该温差发电装置连接成多种输出 参数的组合。将可拓展单元安装在中空导热板上的原 因是考虑到以后将发电装置扩展到多级温差发电系 统时,可以方便地借助穿过每级导热板孔的热管理开 关对各级进行热流控制,该设计本文不再进一步展开 讨论。 Figure 3. Fabrication process of a 2 W thermoelectric power unit: (a) Engrave parallel grooves on the surface of p and n type thermoelectric bulks, and then affixed p and n into each other using organic filler; (b) Grind off the n-type base to expose the interlaced p-n array; (c) Engrave parallel grooves on the perpendicular direction, narrow grooves are for separation of thermoelectric legs, while grooves are for s epa rat ion of mod ule s ; (d) Fill the grooves with organic fillers, and fabricate top-electrodes after solidification; (e) Grind off the p-type base, and fabricate bottom-electrodes 图3. 设计的 2 W温差发电单元的制作工艺流程:(a) 将p、n型材 料切割出凹槽,在液态有机填充物的润滑下对插起来并固化;(b) 将二维阵列上表面的 n型基座磨掉,露出相间的 p、n热电材料; (c) 二次切割凹槽,窄凹槽的目的是把p或n型材料分割成热电臂, 宽凹槽的目的是分割出模块;(d) 将凹槽内再次填充液态有机填充 物并固化,磨平抛光后制作上电极;(e) 下表面磨掉 p型基座,抛 光后制作底部连接电极 Figure 4. Structure of a 32.6 W power unit. Each side of the power unit has a pair of wiring terminals, and all the positive or negative wiring terminals are equipotential respectively 图4. 一个32.6 W可拓展单元的结构示意图。单元上的下左右四个 边上均有一对正负电极接线柱,所有 4个正极柱或负极柱都 等电位 2.2. 热电性能测试方法 测试的装置如图5所示:温差发电装置的冷热端 均通过半埋的方式安装4组热电偶进行测温,通过采 样接口进行数据记录,计算时利用4组的平均值来减 小误差;在温差发电装置的热端和控温加热台之间安 装多个热流片,同样通过采样接口进行数据记录,计 算时利用各热流片热流量的总和计算热端的输入热 量;冷端利用水冷散热器散热。温差发电装置和加热 Copyright © 2012 Hanspub 86 热电器件在大功率温差发电技术中的应用 Figure 5. Test method of a TE device: a schematics to illustrate text which orders from left-to-right, and top down. 1) Heat removal; 2) Thermocouples (TC); 3) TE devices; 4) Thermal insulation; 5) Temperature controlled heating plate; 6) Heat-flux meters; 7) TCs; 8) Load of the electric circuit 图5. 温差发电装置的测试方法示意图:温差发电装置的测试方法 示意图:从上到下–从左到右。1) 散热器;2) 热电偶;3) 温差发 电器件;4) 保温层;5) 控温加热台;6) 热流片;7) TC s;8) 电 子负载 台的侧壁用保温层包起来,以减小边缘效应带来的误 差。在测试时通过调节散热器的功率,将温差发电装 置的冷端控制在60 ℃;同时改变热端温度,在温度稳 定后利用电子负载对温差发电装置进行输出 I-V曲线 的记录。最后跟据 I-V曲线和热流量计算出在不同温 差下发电装置的最大输出功率和效率。 3. 大功率温差技术的经济效益预期 大功率温差发电技术可以用于余热、废热的回收 和清洁能源发电,火电厂烟道尾气的温度一般在 130℃ 左右,部分使用循环流化床锅炉的尾气可达 170℃,存 在着比较可观的热值浪费。末端排烟温度每降低15~ 20 度左右,煤耗可减少约1.5~2 g/kw·h(度电)。在确 保不因烟气出口温度过低导致三氧化硫雾化的前提 下,从循环流化床锅炉的尾气中可以回收6~8 g/kw·h 的废热,再考虑到利用效率,可以节省度电燃煤量 3~5 g。因此在实现经济性的同时降低温室气体和污染物 的排放量。温差发电装置结构简单、紧凑,体功率密 度可以达到1 MWp/m3以上,而且发电机可以设计成 平板、管状等任意形状来贴合锅炉受热面或烟气管道 外壁,非常适合于对已建电厂进行改动量很少的低成 本节能减排的改造。此外,我国是一个能耗大国,炼 焦厂等化工企业的热效率远低于大型火电厂,生产中 通过冷却和散热等方式损失的热能占到了总热量的 40%~60%,是一笔巨大的浪费。由于功率较低,难以 利用汽轮机的方式实现废热发电,而温差发电技术则 是对该问题最有前景的解决方案之一。 温差发电技术同样可以用于太阳能的热效应发 电。太阳能作为自然界中能量总量最大、分布最为广 泛的可再生能源,具有相当巨大的应用前景。温差发 电技术可以利用太阳照射后温度的升高来发电,由于 发电效率随温差升高而提高,因此通常需要采用聚光 等集热手段提高热端温度。太阳能温差发电的结构形 式远比集热技术(CSP)简单,仅比光伏(PV)技术多了一 个聚光镜组;同时材料的生产工艺成本和能耗都明显 低于光伏电池,而且几乎不排放有毒污染物。只要有 足够的研发投入和市场开拓力度,无论是发电形式还 是价格成本,太阳能温差发电技术都将成为太阳能发 电领域的有力竞争者。利用现有温差发电技术可达到 5%~7% 的电能转换效率,如果成本控制在较低的水 平,则将成为此类可再生能源最具潜力的利用方式。 中国的自然热能资源十分丰富,目前已发现的温 度在 150℃以下的中低温地热资源多达2900 多处,总 计天然放热量约相当于每年360 万吨标准煤当量。温 差发电技术非常适合自然界地热或温泉等低品质可 再生热源的利用。这些温度在60℃~1 5 0℃左右热源的 无法推动普通的蒸汽轮机发电,而相比有机物的朗肯 循环或闪蒸技术,温差发电机的结构更加简单,设计 更加灵活;同时工作温度不依赖于循环工质的汽化 点,设计的适用度更加广泛;而且不存在有机物挥发 和泄漏的环境风险,具有更高的可靠性和稳定性。利 用现有的温差发电技术可以实现效率5%~7%的电能 转换,只要控制好成本因素,温差发电技术将成为此 类可再生能源最具潜力的利用方式。 4. 总结和展望 低成本的温差发电技术有望跻身主流清洁能源 市场,提供大功率的电力供给。温差发电技术大规模 应用的重要制约之一是稀有材料的使用量,热电器件 的微型化将是解决这一问题的有效突破口。该技术是 一个涵盖多领域的技术综合体,需要多方面的技术整 合,其中以微型热电器件的工业化生产为重点和难 点。成熟的大功率温差发电技术可以用于电厂和化工 厂的余热、废热回收,以及太阳能、地热和温泉能等 清洁能源发电领域。 中国华能集团是中国最大发电企业和行业科技 创新的领跑者,同时也是国内最早开始关注集中式温 差发电技术的大型电力企业。华能集团以下属的清洁 Copyright © 2012 Hanspub 87 热电器件在大功率温差发电技术中的应用 Copyright © 2012 Hanspub 88 能源技术研究院为依托单位,于2010 年引进了国家 “千人计划”金安君博士,主持开展大功率温差发电 技术的产业化研究。金博士课题组计划通过技术攻关 和技术整合,在 5年内开发出一套国际领先并在主流 清洁能源市场具有竞争力的温差发电技术方案。 5. 致谢 本文得到了中国华能集团“千人计划”专项项目 的资助。 参考文献 (References) [1] IEA. 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