 Sustainable Energy 可持续能源, 2012, 2, 35-41 http://dx.doi.org/10.12677/se.2012.22007 Published Online April 2012 (http://www.hanspub.org/journal/se) Brief Review of Solid State Thermal Electric Energy and Applications in Solar Electricity Anjun Jin1*, We nbo Peng1, Dawei Liu1, Shisen Xu1, Yuchun Chang2, Hongbin Zhang2 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 ther- mal electric generators. Furthermore, TEG is one of green technologies with broad applications. In this paper, we com- pare solar TEG with other solar energy technologies in compelling market values. Moreover, we’ll illustrate the princi- ple 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 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 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。 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 *通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 35  固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述 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： TEh c VT T (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 Copyright © 2012 Hanspub 36  固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述 Copyright © 2012 Hanspub 37 Table 1. Comparison of solar PV, STEG, and many other e lectric 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 PV CSP STEG 风电 水电 火电 装机成本(万元/kWp) <1.4 >2.5[2] <1.5 0.6~0.8 0.5~0.7 0.4~0.6 建设周期(年) <1 1 <1 1-2 3-5 1.5 年有效发电时间(h) 1500 2500 1900 2097[8] 3429[8] 5031[8] 使用寿命(年) >20 >20 >20 20 50~100 30 发电成本(元/kWh) ~1 >1 <0.85 0.5~0.6 ~0.1 0.25~0.35 应用领域 大型电站 建筑集成 大型电站 大型电站建筑集成 大型电站 大型电站 大型电站 限制因素 价格 污染 价格 地域 技术还未完全成熟 地域受限 地域受限 规模受限 减排压力 注：PV 的年发电小时数取 1500 作为均值；CSP 发电时间以 1500 小时为基准，取单轴跟踪加 2小时储热换算；STEG 发电时间以 1500 小时为基准，取双轴跟 踪换算。 整个回路中形成电流 I。 TE I VRr (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]： 1/2 1/2 (1) 1 (1 ) hc TE hch TT ZT T Z TTT (3) 其中 Z为热电优值， 2 Z ，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。 Figure 2. Typical structure shows a TEG module 图2. 热电模块的典型结构示意图[11] 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。 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 Figure 1. Illustration of semiconductors thermal electric generator (TEG) device 图1. 半导体温差发电原理示意图  固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述 之积，即： ot TE (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]： 44 ot opt1sb hamb th opt i TT Cq (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) Illu st ra te 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 Copyright © 2012 Hanspub 38  固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述 3.4. 太阳能温差发电系统 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]。 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) Illus- trating 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] Copyright © 2012 Hanspub 39  固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述 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 Copyright © 2012 Hanspub 40  固体温差发电技术在太阳能领域的应用和简要综述 6. 致谢 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。 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) [1] Technology Roadmap—Solar photovoltaic energy. 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