日常生活中很多設備在使用過程中表面會具有較高的溫度，為了不使表面材料超過許用溫度，往往需要對高溫壁面進行熱防護或者冷卻，這部分熱能以廢熱的形式被排走。如果能對設備廢熱加以利用，既可產生新的可用能源，又可實現材料熱防護的優化。
熱電轉換技術是指將熱能直接或間接轉換為電能的技術，可以為改善材料表面溫度、補設備電能提供可能的途徑。
本文對比了直接循環類和溫差發電熱電轉換技術，對溫差發電技術應用前景進行了分析。
熱電轉換是指將熱能轉換為電能，可以是熱能直接轉換為電能，也可以是先將熱能轉換為機械能等其他形式能，再間接地轉換為電能。
目前常見的熱電轉換方式熱力循環類發電，即依靠換熱工質在熱源和熱機之間完成熱力循環，熱機帶動發電機產生電能，主要包括斯特林循環發電、閉式布雷頓循環發電和朗肯循環發電。
熱力循環類發電系統的效率在20%~40%之間，目前廣泛應用於火電廠、核電廠和船舶發電等領域。
但對於一些設備而言，熱力循環類發電系統具有很多缺點，導致其不適合使用：
1）尺寸較大。熱力循環類發電的系統中的熱機或部件例如汽輪機、內燃機、活塞氣缸等，往往具有較大的尺寸。除了熱機部件外，熱力循環發電系統還配有一個發電機，發電機也具有較大的尺寸，不利對空間利用要求高的系統使用。
如表中所示，為不同熱電轉換方式所佔體積的初步對比分析，體積計算方式為包含熱電轉換全部裝置的最小圓柱體。從表中可以看出，當轉換的功率相同時，溫差發電佔用的體積更小。
2）系統複雜。熱力循環類發電系統包含很多模塊，從熱源到熱機之間存在蒸汽或氣體迴路，熱機和發電機之間要依靠軸來連接，整個系統複雜度高。
3）生存力挑戰。發電系統存在很多活動部件，例如發電機的軸，液體工質需要工質泵，氣體工質需要壓氣機，這些活動部件需要較高的設計要求，高可靠性質量。此外，泵和汽輪機的啟動需要額外能源。同時值得注意的是，發電系統中的電機軸、汽輪機軸等活動部件，在使用過程中由於摩擦也會產生熱量，這時就需要對摩擦部位的滑油進行冷卻，還需提供額外的能源。
除循環類發電技術外，近年來，直接轉換類發電技術的應用也越來越廣泛，例如半導體溫差發電技術、熱離子發電技術、鹼金屬熱電轉換技術和磁流體發電技術等。其中，半導體溫差發電技術已經在空間衛星等領域得到了很好的驗證。
半導體溫差發電技術的基本原理是熱電材料的塞貝克（Seebeck）效應，即處在溫差環境中的兩種具有不同自由電子密度的金屬導體（或半導體）相互接觸時，接觸面上的電子從高濃度向低濃度擴散，且電子的擴散速率與接觸區的溫度差成正比。因此，只要保持兩接觸導體間的溫差，電子就能持續擴散，兩種導體之間就會形成穩定的電壓場，通過冷、熱源之間存在的溫差完成了將熱源端的熱能直接轉化成電能的過程。
溫差發電材料主要使用半導體材料，分為P型半導體和N型半導體。P型半導體材料的載流子主要為帶正電的空穴，N型半導體材料的載流子主要為帶負電的自由電子。由於載流子極性不同，因此在相同溫度梯度的作用下，P型半導體材料和N型半導體材料將產生極性相反的電勢差。利用此特性，將一定數量的P型半導體和N型半導體交替連接構成熱電轉換模塊。
熱電發電的效率主要是由材料的無量綱值(ZT)所決定：
式中，Th和Tc分別熱電模塊工作時熱端和冷端的溫度。＜ZT＞為從Tc到Th溫度區間的ZT平均值。當無量綱值ZT趨近於無窮大時，熱電發電模塊的發電效率無限逼近於卡諾效率。
ZT與材料的塞貝克係數S、電導率σ、熱導率K（主要由電子熱導率與晶格熱導率之和構成）及溫度T相關。
熱電材料主要分為常用類和新型類兩大種類。常用類主要是指Bi2Te3系列、PbTe系列和SiGe系列等；而新型類主要是指低維熱、納米結構、聲子玻璃和超晶格等熱電材料。
溫差發電技術在航天領域有較多應用的案例，發電系統的高溫端採用同位素電池或核反應堆，低溫端採用輻射散熱板，將廢熱輻射到太空中。
溫差發電和熱力循環發電技術參數對比如下表所示，其中s代表太空，G代表地面。
溫差發電技術相比於傳統的熱力循環發電技術，雖然發電效率低，但是溫差發電系統結構簡單，沒有旋轉、活動部件，系統複雜程度低；不需要再配備發電機，系統所佔空間小，有利於小體積空間布置，為空間尺寸要求高的系統廢熱利用提供了可能的途徑，也為電能產生提供了新的方案選擇，可應用於航空、海洋、極地等多個領域。但是溫差發電技術的高效應用還用需做好以下幾個方面：
1）多種材料組合
溫差發電系統主要由高溫端、冷端和熱電材料組成，熱端材料布置在高溫壁面，但是有些情況下壁面的溫度超過目前熱電材料熱端承受最高溫度1300K，因此需要優化系統布局，高溫端材料與熱防護材料、燒蝕材料組合使用，使發電系統在溫度允許的情況達到最優。
2）高效熱管理
無論是溫差發電系統還是熱力循環發電系統，有效的熱沉是最重要的，如果沒有熱沉，這些系統都難以達到效果。因此需要對整個系統進行高效熱管理設計，多方案對比熱沉利用，在不影響其他設備和系統冷卻效果的情況下，使溫度發電系統冷端溫度儘量低，有效提高發電系統效率。
3）新型熱電材料
溫差發電技術的缺點是功率質量比計較小，和其他發電方式相比，發出同等的電功率，需要更大的系統質量。而溫差發電系統功率質量比較小，是因為發電效率較低。從發電效率公式中可以看出，ZT值是影響發電效率的關鍵，它和材料的溫度以及本身的屬性有關，需要發展新型熱電材料，提高系統效率。此外，還需要開發耐高溫熱電材料，以更好的適應更加嚴苛的高溫熱環境，減少熱防護材料給溫差發電系統帶來的重量，降低系統設計複雜度。
溫差發電技術憑藉結構簡單、體積小、系統複雜度低等優點，具有廣闊的前景，但目前距離更高效使用還有一段距離，至少需要解決材料的選取和熱沉優化利用的問題。隨著新型熱電材料的出現，溫差發電技術將具備更大的優勢，為多個領域系統、設備的高效熱管理和能源優化提供更好的解決方案。
主要參考文獻
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