什么是海水溫差能？如何利用？

【專家解說】：溫差發(fā)電 變廢為寶 “溫差發(fā)電將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，只有微小溫差存在的情況下也能應(yīng)用，是適用范圍很廣的綠色環(huán)保型能源——它甚至能利用人的體熱，為各種便攜式設(shè)備供電，真正做到‘變廢為寶’?！比A東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院涂善東教授、欒偉玲副教授認(rèn)為，溫差電技術(shù)正重新成為全球研究的熱點，值得我國科學(xué)技術(shù)研究部門的重視。 就溫差電技術(shù)的機(jī)理、該領(lǐng)域最新研究進(jìn)展、進(jìn)行推廣應(yīng)用的緊迫性和當(dāng)前可能取得進(jìn)展的突破點等問題，兩位從事能源材料與設(shè)備技術(shù)研究的專家接受了本報記者的專訪。 Ｓｅｅｂｅｃｋ效應(yīng) “溫差發(fā)電通過熱電轉(zhuǎn)換材料得以實現(xiàn)，而檢定熱電轉(zhuǎn)換材料的標(biāo)志，在于它的三個基本效應(yīng)：Ｐｅｌｔｉｅｒ 效應(yīng)、Ｓｅｅｂｅｃｋ效應(yīng)和Ｔｈｏｍｓｏｎ效應(yīng)?！睓鑲チ岣苯淌谡f，正是這三個效應(yīng)，奠定了熱力學(xué)中熱電理論的基礎(chǔ)，也為熱電轉(zhuǎn)換材料的實際應(yīng)用展示了廣闊前景。其中，Ｓｅｅｂｅｃｋ效應(yīng)是溫差發(fā)電的基礎(chǔ)。 １８２１年，德國人Ｓｅｅｂｅｃｋ發(fā)現(xiàn)，在兩種不同金屬（銻與銅）構(gòu)成的回路中，如果兩個接頭處存在溫度差，其周圍就會出現(xiàn)磁場，又通過進(jìn)一步實驗發(fā)現(xiàn)回路中存在電動勢。這一效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，為測溫?zé)犭娕?、溫差發(fā)電和溫差電傳感器的制作奠定了基礎(chǔ)。 欒偉玲介紹，熱電轉(zhuǎn)換材料直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，是一種全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換方式，無需化學(xué)反應(yīng)或流體介質(zhì)，因而在發(fā)電過程中具有無噪音、無磨損、無介質(zhì)泄漏、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長等優(yōu)點，在軍用電池、遠(yuǎn)程空間探測器、遠(yuǎn)距離通訊與導(dǎo)航、微電子等特殊應(yīng)用領(lǐng)域具有“無可替代”的地位。在２１世紀(jì)全球環(huán)境和能源條件惡化、燃料電池又難以進(jìn)入實際應(yīng)用的情況下，溫差電技術(shù)更成為引人注目的研究方向。 欒偉玲描述了溫差發(fā)電的工作原理說，將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料Ｎ和Ｐ的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)，另一端開路并給以低溫時，由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，空穴和電子濃度也比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在低溫開路端形成電勢差；如果將許多對Ｐ型和Ｎ型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個溫差發(fā)電機(jī)。 眾多應(yīng)用 據(jù)介紹，溫差電技術(shù)研究始于２０世紀(jì)４０年代，于２０世紀(jì)６０年代達(dá)到高峰，并成功地在航天器上實現(xiàn)了長時發(fā)電。當(dāng)時美國能源部的空間與防御動力系統(tǒng)辦公室給出鑒定稱，“溫差發(fā)電已被證明為性能可靠、維修少、可在極端惡劣環(huán)境下長時間工作的動力技術(shù)”。近幾年來，溫差發(fā)電機(jī)不僅在軍事和高科技方面，而且在民用方面也表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。 涂善東教授介紹說，在遠(yuǎn)程空間探索方面，人們從上個世紀(jì)中葉以來不斷將目標(biāo)投向更遠(yuǎn)的星球、甚至是太陽系以外的遠(yuǎn)程空間，這些環(huán)境中太陽能電池很難發(fā)揮作用，而熱源穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、壽命長的放射性同位素溫差發(fā)電系統(tǒng)則成為理想的選擇。因為一枚硬幣大小的放射性同位素?zé)嵩?，就能提供長達(dá)２０年以上的連續(xù)不斷的電能，從而大大減輕了航天器的負(fù)載，這項技術(shù)已先后在阿波羅登月艙、先鋒者、海盜、旅行者、伽利略和尤利西斯號宇宙飛船上得到使用。 放射性同位素發(fā)電機(jī)在軍事方面的應(yīng)用也不可小視。早在２０世紀(jì)８０年代初，美國就完成了５００Ｗ～１０００Ｗ軍用溫差發(fā)電機(jī)的研制，并于８０年代末正式列入部隊裝備，放在深海中為美國導(dǎo)彈定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組成部分——無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電。１９９９年，美國能源部又啟動了“能源收獲科學(xué)與技術(shù)項目”，研究利用溫差發(fā)電模塊，將士兵的體熱收集起來用于電池充電。 此外，體積小、重量輕、無振動、無噪音的優(yōu)點還使溫差發(fā)電機(jī)非常適合用作小于５Ｗ的小功率電源，用于各種無人監(jiān)視的傳感器、微小短程通訊裝置以及醫(yī)學(xué)和生理學(xué)研究儀器——目前，相關(guān)產(chǎn)品已進(jìn)入實用階段。最近，基于熱電轉(zhuǎn)換材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ效應(yīng)，科學(xué)家還研制成功許多新型的溫差電傳感器，用于低溫溫度測量、單像素紅外線和Ｘ射線探測、氫氣和其他可燃?xì)怏w泄漏檢測等。 在最吸引人的“變廢為寶”方面，由于原料費(fèi)用幾近為零、運(yùn)行成本很低，溫差發(fā)電完全可以實現(xiàn)與現(xiàn)存發(fā)電方式的商業(yè)競爭。看到這一前景，日本、美國近幾年來開展了一系列低品位熱和廢熱、余熱資源的利用項目。利用熱源遍及化工廠、鋼鐵工業(yè)、水泥工業(yè)、造紙業(yè)、石油冶煉業(yè)等行業(yè)產(chǎn)生的工業(yè)余熱，富含有機(jī)可燃物、“資源效益”極為可觀的垃圾焚燒熱，在汽車尾氣、冷卻水、潤滑油和熱輻射中散失的汽車余熱，太陽輻射熱、海洋溫差熱、地?zé)岬茸匀粺?，以及其它分散熱源例如沐浴剩余水的余熱、家用取暖爐的散熱等。 提高效率 雖然溫差發(fā)電已有諸多應(yīng)用，但長久以來受熱電轉(zhuǎn)換效率和較大成本的限制，溫差電技術(shù)向工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)的普及受到很大制約。雖然最近幾年隨著能源與環(huán)境危機(jī)的日漸突出，以及一批高性能熱電轉(zhuǎn)換材料的開發(fā)成功，溫差電技術(shù)的研究又重新成為熱點，但突破的希望還是在于轉(zhuǎn)換效率的穩(wěn)定提高。 欒偉玲介紹，前蘇聯(lián)１９４２年研制成功最早的溫差發(fā)電機(jī)，發(fā)電效率只有１．５％～２％，目前開發(fā)的溫差發(fā)電機(jī)，效率也普遍處于６％～１１％之間，這大大限制其使用范圍。這種情況下，通過對熱電轉(zhuǎn)換材料的深入研究和新材料的開發(fā)，不斷提高熱電性能，爭取在熱源不變的情況下提高電輸出功率已成為溫差電技術(shù)研究的核心內(nèi)容。 涂善東表示，當(dāng)前科技發(fā)達(dá)國家已先后將發(fā)展溫差電技術(shù)列入中長期能源開發(fā)計劃。其中美國傾向于軍事、航天和高科技領(lǐng)域的應(yīng)用，日本在廢熱利用方面居于世界領(lǐng)先地位，歐盟則著重小功率電源、傳感器和運(yùn)用納米技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。我國在半導(dǎo)體熱電制冷的理論和應(yīng)用研究方面具有一定實力，但溫差電研究尚處起步階段，必須迅速加大開發(fā)力度，盡快實現(xiàn)溫差電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，具體的突破點則可定在小型溫差電傳感器和工業(yè)及垃圾焚燒發(fā)電兩個方面。 涂善東說，隨著溫差電領(lǐng)域研究的不斷深入，最近出現(xiàn)了許多新的概念和應(yīng)用實例，包括高能量密度溫差發(fā)電模塊、熱電共生系統(tǒng)、加熱循環(huán)熱電燃燒系統(tǒng)等。隨著熱電性能的進(jìn)一步提高、制造技術(shù)的逐步成熟，人類逐漸解決能源危機(jī)，消除能源使用所帶來的環(huán)境污染，將不再只是夢想。