溫差發電原理概述

        溫差發電指利用冷、熱源之間的溫差驅動的發電，溫差發電低能級熱回收方面很有前途，如工業餘熱、汽車尾氣管排放餘熱、太陽能、地熱能和海洋溫差能等。主流的溫差發電方式有透平發電方式和半導體溫差發電方式。

        以海洋溫差能發電為例，溫差透平發電系統可分為開式、閉式和混合式發電系統，如圖1所示。開式系統直接利用海洋表層溫海水在閃蒸器中閃蒸，閃蒸產生的氣體驅動汽輪機發電；閉式系統利用海洋表層溫海水作為熱源在蒸發器中加熱氣化低沸點工質後，驅動透平機組發電，作功後的低壓氣體則進入冷凝器中通過深層冷海水冷凝，冷凝後的液體通過工質泵送入蒸發器進行下一次循環；混合式系統是在閉式循環的基礎上結合開式循環改造而成的，能夠同時實現海洋溫差發電和海水淡化。現有的海洋溫差發電示範工程多是採用閉式循環系統。針對閉式朗肯循環系統，1981年卡琳娜最先提出採用氨水混合工質的改進的朗肯循環系統，蒸汽通過氣液分離器分離成為富氨蒸汽和富水溶液，富氨蒸汽進入膨脹機作功，富水溶液通過高溫回熱器回收熱量後進入吸收器吸收透平乏汽。卡琳娜循環由於氨水混合工質相變過程溫度滑移現象使得換熱過程與冷熱源有較好的匹配關係，減少了溫差換熱不可逆損失，其循環熱效率可達4%；1994年，日本佐賀大學的上原春男教授提出上原循環，上原循環採用兩級透平和中間抽氣回熱器，其循環熱效率可達4.97%[1]；國家海洋局第一海洋研究所提出國海循環，將高溫回熱器置於中間抽氣回熱器之前。

 

        圖1 溫差發電熱力循環圖

        半導體溫差發電（如圖二所示）是利用材料的熱電效應進行熱電轉換的。1821德國物理學家塞貝克發現兩種不同金屬所組成的閉合迴路中，當兩接觸處的溫度不同是，迴路中產生電勢，此所謂「塞貝克效應」，熱電偶測溫即是基於此原理。將兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的一端通過金屬材料連接並將其置於高溫狀態，另一端開路置於低溫狀態，由於高溫端的熱激發作用較強，空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差。將許多對P型和N型材料連接起來組成模塊就可以得到足夠高的電壓，形成溫差發電器。半導體溫差發電具有的最大發電效率如下：

 

        上式，右邊第一項即為工作在熱源溫度Th和冷源溫度Tc的卡諾循環效率，第二項與熱電轉換材料性能有關， 為材料的優值係數，優值係數越大，發電器發電效率越大，已有材料優值係數不超過4。針對熱源溫度28℃，冷源溫度5℃的海洋溫差能，其卡諾循環的效率為7.64%，即使材料的優值係數達到4，半導體溫差發電效率也不到3%。

圖二 半導體溫差發電

        總之，基於朗肯循環的透平發電設備龐大，初期投資高，適用於大型化發電，其攻略越大，系統經濟性越好；半導體溫差發電重量輕，結構簡單，便於小型化，但是其發電效率受制與熱電轉換材料性能。

參考資料

[1] Bai O , Nakamura M , Ikegami Y , et al. A Simulation Model for Hot Spring Thermal Energy Conversion Plant With Working Fluid of Binary Mixtures[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 2004, 126(3):445.