在我們的現(xiàn)代生活中，大到工業(yè)生產、交通運輸，小到日常生活，每天都在消耗著大量的能量，然而這些能量并沒有得到充分的利用。在能量的利用過程中，總有一部分能量未能得到利用，而是轉化為熱能散失掉了。應用熱電材料進行熱電轉換可以利用這部分能量。

熱電轉換造價信息

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就是熱能和電能之間的相互轉換。

堿金屬熱電轉換是利用”- Al2O3固體電解質的離子導電性、用鈉作工質，以熱再生濃度差電池過程為工作原理的熱電能量直接轉換新技術。堿金屬熱電轉換器(Alkali Metal Thermal to Electric Converter,AMTEC)則是一種面積型發(fā)電器件，它無運動部件、無噪聲、無需維護，可以和溫度在600° C至900° C范圍任何形式的熱源相 結合，構成模塊組合式發(fā)電裝置，滿足不同容量負載的要求，熱電轉換效率可超過30%，而且具有排熱溫度較高(300°C上下)的特點。與垃圾氣化熔融技術相結合，構成高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)，是堿金屬熱電轉換技術的重要應用方向，堿金屬熱電轉換高效率垃圾發(fā)電將在我國方興未艾的垃圾發(fā)電技術發(fā)展占有重要的地位。堿金屬熱電轉換器是1968年見于美國專利的新概念，美國福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進實驗室是研究、開發(fā)AMTEC的先驅，先后取得了一系列重要進展：以單管實驗器件效率19%驗證了理論的可靠性;36管實驗裝置發(fā)電1千瓦;用電磁泵加壓的實驗裝置連續(xù)發(fā)電14000小時;用毛細吸液芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時。

九十年代起，美國先進模塊電源系統(tǒng)( AMPS) 公司則以令人矚目的研究成果大大推動了AMTEC商用化的進程。用5至7根直徑7毫米”- Al2O3管構成的器件已經在AMPS公司進行 試生產，器件單元輸出4瓦左右，其應用領域為空間電源、余熱發(fā)電和熱電聯(lián)產等等。

熱電轉換介紹常見問題

熱電材料是通過其內部載流子的移動及其相互作用，來完成電能和熱能之間相互轉換的一種功能材料。與一般的發(fā)電方法相比，優(yōu)勢在于沒有外部的轉動部件，因此工作時沒有噪聲、沒有部件之間的磨損等。另外，由于它沒有流體態(tài)的介質，可以說基本沒有環(huán)境污染。熱電材料的主要特點是：它可以像壓縮軟件一樣把熱量打包，傳送給材料中電能的載體——電子或空穴載流子，它們在把熱量從溫度高的一端運輸?shù)綔囟鹊偷囊欢说耐瑫r，由于電子或空穴的定向移動，這種材料的兩端就會產生電壓。而所產生的這種電壓，就為人們提供了可利用的能源。

熱電材料的理想特性一般要求，內阻較低以減少內部電流產生的損耗（發(fā)熱）；較低的導熱系數(shù)（熱導率）以減少從高溫端向低溫端的熱傳導；較高的熱電動勢（開路）。大多數(shù)物質的熱電動勢只有幾微伏每度溫差，不適宜作為熱電材料。最適合的材料是半導體材料，如碲化鉛、鍺硅合金、碲化鍺，等等。

熱電效應包括下列三種基本效應：

（1）第一熱電效應，亦 稱為“塞貝克 （Seebeck） 效應”。把兩種不同的 導體連接成閉合回路，如兩個接點的溫度不同，則 回路中將產生一個電勢，稱為“熱電勢”（圖1a）， 且溫度差越大，熱電勢亦越大。

（2）第二熱電效 應，亦稱為“珀爾帖 （Peltier） 效應”。當電流通 過由兩種不同的金屬組成的回路時，在金屬導體中 除了產生焦耳熱之外，還要在接點吸收或放出一定 熱量——珀爾帖熱（圖1b）。

（3）第三熱電效 應，亦稱為“湯姆遜 （Thompson） 效應”。如果 使一金屬導體兩端保持恒定的溫差ΔT，在時間τ 內通過電流i，則在兩端點間依電流方向不同放出 或吸收一定的熱量QT（湯姆遜熱） ，且QT=σiτΔT

式中 σ——湯姆遜系數(shù)。湯姆遜效應是可逆的 （圖1c）。

（a）塞貝克效應；（b）珀爾帖效應； （c）湯姆遜效應

熱電轉換器也是一種熱機，它從高溫熱源吸熱，向低溫熱源放熱，并將部分熱轉換成為電功。因此它的理論最高效率仍然是卡諾循環(huán)效率。由于各種損失的存在，熱電轉換器的效率與卡諾循環(huán)限制相去甚遠。理論分析表明熱電轉換器的效率能夠大于10%，但實際建成裝置的效率大都遠低于這個值，隨著半導體材料的發(fā)展，熱電轉換器的效率接近20%是個合理的目標。至于應用，可在非洲偏遠地區(qū)用油燈的余熱為收音機供電，可在海洋上用海水溫差驅動聲納浮標。

熱電轉換介紹文獻

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基于熱電轉換的風、光、火電機組協(xié)調性發(fā)電調度 基于熱電轉換的風、光、火電機組協(xié)調性發(fā)電調度

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針對冬季供熱期寧夏電網火電機組調整容量受限問題,通過調整全網電負荷與熱負荷的分配比例,增加火電機組可調備用容量的方法,提出一種基于熱、電轉換的風電、光伏及火電機組的協(xié)調性調度方法。分析結果表明:將熱負荷轉化為電負荷后,可提升風電及光伏能源的消納率,降低新能源出力波動對電網調峰的影響。

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關于開展堿金屬熱電轉換高效率垃圾發(fā)電技術研究的建議

實際上，在試圖以提高燃燒溫度來提高垃圾發(fā)電效率的場合，都可以考慮用堿金屬熱電轉換器取代傳統(tǒng)的動力設備，而達到所期望的性能指標。從發(fā)展著眼，將堿金屬熱電 轉換技術與垃圾的氣化熔融技術相結合，是構成高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)極有前景的方案。

堿金屬熱電轉換器的受熱面可以直接與高溫煙氣流接觸，發(fā)電裝置設在熔融爐排煙部分的爐壁上，直接把燃燒熱轉換成電能。這樣，就省去了余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機組以及 蒸汽循環(huán)所需的附屬設備。參照AMPS的估計，0.75兆瓦的AMTEC發(fā)電裝置，體積約為15立方米。另一方面，0.75兆瓦汽輪發(fā)電機組的尺寸為24立方米，而與之匹配的余熱鍋爐(出口蒸汽參數(shù)設為300° C、13大氣壓)的尺寸則超過300立方米。

因此，所建議的高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)在構成上的優(yōu)點顯而易見。在堿金屬熱電轉換高效率垃圾發(fā)電系統(tǒng)中，垃圾的熱解在流化床型氣化爐中完成;AMTEC考慮用空氣冷卻，發(fā)電裝置的排熱可以用來預熱氣化爐的燃風或熔融爐的補燃風。當然，還可以有各種具體方案，包括余熱利用，都需要進行詳細的比較研究。建議國家科技部組織有關單位進 行方案論證，確定項目和選題。

建議中國在"十五"期間開展堿金屬熱電轉換垃圾發(fā)電系統(tǒng)關鍵技術的研究開發(fā)，并建成日處理量10噸級的試驗裝置，進行電廠效率的驗證，為在2010年建成中試系統(tǒng)積累必要的數(shù)據(jù)，進行技術準備。主要研究內容如下。

⑴垃圾氣化熔融機制和過程參數(shù)選擇。

⑵氣化爐和熔融爐裝置的優(yōu)化設計。

⑶余熱利用、金屬類物質的回收環(huán)節(jié)的設計。

⑷AMTEC發(fā)電裝置的設計和可靠性試驗。

⑸AMTEC發(fā)電裝置的功率調節(jié)。

⑹AMTEC-垃圾發(fā)電系統(tǒng)技術經濟評價。

中國"九五"期間，垃圾焚化、發(fā)電研究已經有了良好的開端，堿金屬熱電轉換器的研究已經有了較好的基礎，相信經過"十五"的努力，中國將在高效率垃圾發(fā)電技術的發(fā)展上走出自己的路。

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堿金屬熱電轉換器?工作原理

堿金屬熱電轉換器 (堿金屬熱電轉換高效率垃圾發(fā)電器)

AMTEC的工作過程可以參照圖1來說明。AMTEC是一個充有少量鈉的密閉容器，由厚度約1毫米的 "- Al2O3固體電解質和電磁泵將其分隔成壓力不同的兩部分。在高壓側，工 質鈉被熱源加熱，在鈉與固體電解質的交界面，由壓力差決定的化學勢梯度驅使鈉離子透過 "- Al2O3向低壓側的電解質- 多孔電極界面遷移，負載開路時，在b "- Al2O3兩側便形成電動勢，這一過程和濃度差電池類似，因而，AMTEC的空載電壓由能斯特方程決定。負載接通時，電子從高壓側經外電路到達多孔電極處，與離子復合成鈉原子，然后 圖1。AMTEC的工作原理

鈉以蒸氣相穿過低壓空間到達冷凝器，凝結的液鈉則由電磁泵送回高壓側。實質上，"- Al2O3在能量轉換過程中起著選擇性滲透膜的作用，而AMTEC是工質鈉通過固體電解質等溫膨脹做功的熱機。

在熱源溫度1150K、冷源溫度500K、"- Al2O3壁厚為1毫米、考慮器件的內部損失時，AMTEC的效率隨電流的密度而變化。當不可逆過程造成的損失為0.2瓦¤ [ 厘米] 2時，效率峰值為35%，對同樣溫度范圍的卡諾循環(huán)效率的比值達62%。所謂不可逆過程，主要是多孔電極表面向冷凝器表面的熱輻射以及通過構件的熱傳導。與同樣是直接發(fā)電器件的熱

電半導體發(fā)電器不同的是，對于后者，熱傳導是一種本征損失，而對AMTEC，可以靠精心設計把這類不可逆損失降低到最低限度，這是AMTEC具有高效率的重要原因。分析結果表明，如果把損失抑制到0.02瓦¤ [ 厘米] 2 ，那么理論效率將達45%。

迄今用于AMTEC的"- Al2O3都是管材，外徑從7毫米至30毫米不等，壁厚最薄的做到0.7 毫米(考慮不可逆損失時的效率)。AMTEC是低電壓器件，單管器件的空載電壓約為1.5伏，按電極表面積計算的功率密度達0.5~ 1.0瓦¤ [ 厘米] 2。在實際使用時，靠多管單元的適當組合來滿足負載的要求。每個單元由多根"- Al2O3管構成，在電氣上串聯(lián)連接。

堿金屬熱電轉換器是1968年見于美國專利的新概念，美國福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進實驗室是研究、開發(fā)AMTEC的先驅，先后取得了一系列重要進展:以單管實驗器件效率19%驗證了理論的可靠性;36管實驗裝置發(fā)電1千瓦;用電磁泵加壓的實驗裝置連續(xù)發(fā)電14000小時;用毛細吸液芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時。

九十年代起，美國先進模塊電源系統(tǒng)(AMPS) 公司則以令人矚目的研究成果大大推動了AMTEC商用化的進程。用5至7根直徑7毫米"- Al2O3管構成的器件已經在AMPS公司進行試生產，器件單元輸出4瓦左右，其應用領域為空間電源、余熱發(fā)電和熱電聯(lián)產等等。

AMPS公司制作的單管器件進行模擬試驗:在多管單元運行特性研究和可靠性試驗的基礎上，AMPS設計了凈輸出500瓦的AMTEC裝置作為住戶微型熱電聯(lián)產系統(tǒng)的原型;與此同時，他們正在為歐洲的公司制造容量為350瓦、利用供暖鍋爐余熱的發(fā)電裝置原型，并進行了35千瓦系統(tǒng)的設計研究，初步結果表明，35千瓦系統(tǒng)的尺寸僅為0.7立方米。

中國科學院電工研究所從1994年起，先后在國家自然科學基金和國防科工委科技預研基金的支持下，并與中國科學院上海硅酸鹽研究所的密切配合，在國內率先開展堿金屬熱電能量直接轉換技術的應用研究，建立了熱電轉換器件實驗室和薄膜電極制備、器件封接用的工藝裝備，開展了多孔薄膜電極制備、單體封接、集流柵設計和工質循環(huán)技術等關鍵技術的研究和實用化多管器件的設計及工藝研究，取得了顯著進展。單管實驗器件達到了能夠重復運行多次、累計發(fā)電2小時、峰值功率8.85瓦、功率密度0.9瓦¤ [ 厘米] 2的水平。為進一步進行堿金屬熱電轉換垃圾發(fā)電的研究創(chuàng)造了良好的條件。

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世界范圍內能源危機和生態(tài)環(huán)境惡化催促著人們尋找新能源及能源利用新方法。熱電轉換裝置因其結構簡單、無需制冷劑、無機械傳動部分、無磨損、無噪聲、壽命長、可靠性高等優(yōu)點越來越受到人們重視，并且已經廣泛應用于民用和軍用領域。而在熱電轉換微能源系統(tǒng)中，熱電轉換效率受熱電裝置高溫端散熱工況和材料自身熱電性能的影響較大。因此尋找新型高效散熱方式，以及開發(fā)材料熱電性能表征系統(tǒng)已經成為熱電轉換裝置中關鍵熱物理問題。 本項目基于上述兩個關鍵熱物理問題，開展了相應研究工作。采用基于數(shù)字信號處理的虛擬鎖相技術，通過對通1-Omega交流電的熱電材料兩端1-Omega，2-Omega和3-Omega電壓成分的同時采集和分析處理，獲得熱電材料的電導率，熱導率，Seebeck系數(shù)和熱電轉換效率的優(yōu)值系數(shù)。為了解決熱電轉換裝置性能評估問題，本項目基于直流瞬態(tài)Harman法測量優(yōu)值系數(shù)原理，搭建了熱電器件綜合性能表征實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)同時測量無量綱優(yōu)值系數(shù)（ZT值）、Seebeck系數(shù)、電導率以及熱導率等熱電性能參數(shù)，并通過測試商業(yè)碲化鉍基熱電器件驗證了本實驗臺測量結果的可靠性。在此基礎上，制作和改進了具有不同夾層結構的新型熱電器件，并對其開展了熱電性能評估。實驗結果表明，室溫下具有夾層結構熱電器件ZT值普遍小于常規(guī)碲化鉍純半導體器件，但是Seebeck系數(shù)卻比常規(guī)器件大；同時夾層結構熱電器件的電導率和熱導率均大于常規(guī)器件值。 另外，為了探索新型高效散熱方式用于解決熱電器件熱端散熱，本項目研究了微通道內納米流體強化換熱特性，以期采用在熱電裝置熱端端面開鑿矩形微槽道，并通以水基多壁碳納米管(MWCNT)納米流體的方式解決高效熱電轉換裝置中大熱流密度散熱難題。通過實驗測量了納米流體微細管內對流換熱系數(shù)和沿程阻力特性，結果表明，納米流體能夠顯著強化對流換熱系數(shù)，并且沿程摩擦系數(shù)與去離子水的值相近，表明納米流體強化傳熱的同時泵功消耗并沒有大幅增加,具有工業(yè)應用價值。

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