热电直接转换技术

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热能是是宇宙间最普遍的能量形式。因此，如何能将热能高效地转换为电能是新能源领域中的一个重要课题，也是新能源发展的一个重要方向。

热能转换为电能的技术分为直接转换技术和间接转换技术。我们所熟知的火电站、太阳能聚光发电等都是间接转换技术，即化学能（光能）首先转换为机械能，机械能在借助发电设备转换为电能。由于转换路径较长，存在着投资大、效率低、系统复杂等一系列弊端。而热电直接转换技术由于不存在中间能量形态有望解决上述弊端，降低发电成本，提高发电效率。

目前热电直接转换技术主要有半导体温差发电技术、碱金属发电技术和电解质热伏电池技术三类。

一

半导体温差发电技术

1821年，赛贝克发现，把两种不同的金属导体接成闭合电路时，如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生。这一现象称为塞贝克效应，这样的电路叫做温差电偶，这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。例如，铁与铜的冷接头为1℃，热接头处为100℃，则有5.2mV的温差电动势产生。

用半导体制成的温差电池赛贝克效应较强，热能转化为电能的效率也较高。其工作原理是，将两种不同类型的热电转换材料N型和P型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差;如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压,形成一个温差发电机。

半导体温差发电技术由于体积小，寿命长、无运动部件等特点受到各行业的高度关注，如美国NASA就在很多宇宙飞船上应用了放射性同位素温差电池，一枚硬币大小的放射性同位素热源，就能提供长达20年以上的连续不断的电能，从而大大减轻了航天器的负载。

但该技术目前的转换效率较低，且半导体材料成本高昂，含有有毒元素，因此该技术在工业和民用产业的普及受到很大制约。但各国都对该技术给予了高度重视，不断研发新材料以期提高热电转换效率，降低发电成本。

二

碱金属热电转换器件（AMTEC）

　碱金属热电转换是(Alkali Metal Thermal to Electric Converter, AMTEC)利用β氧化铝的离子导电性、用钠作工质，以热再生浓度差电池过程为工作原理的热电能量直接转换新技术。

AMTEC是一个充有少量钠的密闭容器，由厚度约1毫米的β氧化铝固体电解质和电磁泵将其分隔成压力不同的两部分。在高压侧，工质钠被热源加热，在钠与固体电解质的交界面，由压力差决定的化学势梯度驱使钠离子透过β氧化铝向低压侧的电解质- 多孔电极界面迁移，负载开路时，在β氧化铝两侧便形成电动势，这一过程和浓度差电池类似。负载接通时，电子从高压侧经外电路到达多孔电极处，与离子复合成钠原子，然后钠以蒸气相穿过低压空间到达冷凝器，凝结的液钠则由电磁泵送回高压侧。实质上，β氧化铝在能量转换过程中起着选择性渗透膜的作用，而AMTEC是工质钠通过固体电解质等温膨胀做功的热机。

AMTEC无运动部件、无噪声、无需维护，可以和温度在600℃至900℃范围任何形式的热源相结合，构成模块组合式发电装置，满足不同容量负载的要求，热电转换效率可超过30%，该技术目前主要应用于垃圾焚烧发电领域。但由于该技术尚不成熟，投资巨大以及对工作温度要求较高等问题，其普及推广受到很大局限。

三

电解质热伏发电技术

电解质材料是地球上储量丰富，品种繁多的一类物质形态，常见的有酸、碱、盐等物质。电解质材料具有独特的热伏特性，能够不借助任何物质将热能直接转变为电能。

电解质材料是值在特定条件下具有离子导电特性的物质，与金属和半导体不同，电解质是离子导电，而非电子导电。则在外加热源的作用下，电解质材料将热能直接转变为电能，在材料两端建立电势差。该技术可在100℃，甚至更低的温度下工作，甚至可借助人的体温进行发电。

目前该技术尚处于研发阶段，转换效率有待提高。但由于该技术所用的原材料十分丰富，且价格低廉，对热源的温度要求较低，对环境友好，因此是一种理想的热电直接转换技术。尤其在太阳能发电领域有望取代半导体广泛发电技术和聚光太阳能热电技术，成为未来太阳能发电的主流技术。