“溫差發電將熱能直接轉化為電能，只有微小溫差存在的情況下也能應用，是適用範圍很廣的綠色環保型能源——它甚至能利用人的體熱，為各種攜帶型設備供電，真正做到‘變廢為寶’。”華東理工大學機械工程學院涂善東教授、欒偉玲副教授認為，溫差電技術正重新成為全球研究的熱點，值得我國科學技術研究部門的重視。

就溫差電技術的機理、該領域最新研究進展、進行推廣應用的緊迫性和當前可能取得進展的突破點等問題，兩位從事能源材料與設備技術研究的專家接受了本報記者的專訪。

Ｓｅｅｂｅｃｋ效應

“溫差發電通過熱電轉換材料得以實現，而檢定熱電轉換材料的標誌，在於它的三個基本效應：Ｐｅｌｔｉｅｒ 效應、Ｓｅｅｂｅｃｋ效應和Ｔｈｏｍｓｏｎ效應。”欒偉玲副教授說，正是這三個效應，奠定了熱力學中熱電理論的基礎，也為熱電轉換材料的實際應用展示了廣闊前景。其中，Ｓｅｅｂｅｃｋ效應是溫差發電的基礎。

１８２１年，德國人Ｓｅｅｂｅｃｋ發現，在兩種不同金屬（銻與銅）構成的回路中，如果兩個接頭處存在溫度差，其周圍就會出現磁場，又通過進一步實驗發現回路中存在電動勢。這一效應的發現，為測溫熱電偶、溫差發電和溫差電感測器的製作奠定了基礎。

欒偉玲介紹，熱電轉換材料直接將熱能轉化為電能，是一種全固態能量轉換方式，無需化學反應或流體介質，因而在發電過程中具有無噪音、無磨損、無介質泄漏、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長等優點，在軍用電池、遠程空間探測器、遠距離通訊與導航、微電子等特殊應用領域具有“無可替代”的地位。在２１世紀全球環境和能源條件惡化、燃料電池又難以進入實際應用的情況下，溫差電技術更成為引人注目的研究方向。

欒偉玲描述了溫差發電的工作原理說，將兩種不同類型的熱電轉換材料Ｎ和Ｐ的一端結合併將其置於高溫狀態，另一端開路並給以低溫時，由於高溫端的熱激發作用較強，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；如果將許多對Ｐ型和Ｎ型熱電轉換材料連接起來組成模組，就可得到足夠高的電壓，形成一個溫差發電機。

眾多應用

據介紹，溫差電技術研究始於２０世紀４０年代，于２０世紀６０年代達到高峰，並成功地在航太器上實現了長時發電。當時美國能源部的空間與防禦動力系統辦公室給出鑒定稱，“溫差發電已被證明為性能可靠、維修少、可在極端惡劣環境下長時間工作的動力技術”。近幾年來，溫差發電機不僅在軍事和高科技方面，而且在民用方面也表現出了良好的應用前景。

涂善東教授介紹說，在遠程空間探索方面，人們從上個世紀中葉以來不斷將目標投向更遠的星球、甚至是太陽系以外的遠程空間，這些環境中太陽能電池很難發揮作用，而熱源穩定、結構緊湊、性能可靠、壽命長的放射性同位素溫差發電系統則成為理想的選擇。因為一枚硬幣大小的放射性同位素熱源，就能提供長達２０年以上的連續不斷的電能，從而大大減輕了航太器的負載，這項技術已先後在阿波羅登月艙、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。

放射性同位素發電機在軍事方面的應用也不可小視。早在２０世紀８０年代初，美國就完成了５００Ｗ∼１０００Ｗ軍用溫差發電機的研製，並於８０年代末正式列入部隊裝備，放在深海中為美國導彈定位系統網路的組成部分——無線電信號轉發系統供電。１９９９年，美國能源部又啟動了“能源收穫科學與技術項目”，研究利用溫差發電模組，將士兵的體熱收集起來用於電池充電。

此外，體積小、重量輕、無振動、無噪音的優點還使溫差發電機非常適合用作小于５Ｗ的小功率電源，用於各種無人監視的感測器、微小短程通訊裝置以及醫學和生理學研究儀器——目前，相關產品已進入實用階段。最近，基於熱電轉換材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ效應，科學家還研製成功許多新型的溫差電感測器，用於低溫溫度測量、單像素紅外線和Ｘ射線探測、氫氣和其他可燃氣體泄漏檢測等。

在最吸引人的“變廢為寶”方面，由於原料費用幾近為零、運行成本很低，溫差發電完全可以實現與現存發電方式的商業競爭。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、餘熱資源的利用項目。利用熱源遍及化工廠、鋼鐵工業、水泥工業、造紙業、石油冶煉業等行業產生的工業餘熱，富含有機可燃物、“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餘熱，太陽輻射熱、海洋溫差熱、地熱等自然熱，以及其他分散熱源例如沐浴剩餘水的餘熱、家用取暖爐的散熱等。

提高效率

雖然溫差發電已有諸多應用，但長久以來受熱電轉換效率和較大成本的限制，溫差電技術向工業和民用產業的普及受到很大制約。雖然最近幾年隨著能源與環境危機的日漸突出，以及一批高性能熱電轉換材料的開發成功，溫差電技術的研究又重新成為熱點，但突破的希望還是在於轉換效率的穩定提高。

欒偉玲介紹，前蘇聯１９４２年研製成功最早的溫差發電機，發電效率只有１．５％∼２％，目前開發的溫差發電機，效率也普遍處於６％∼１１％之間，這大大限制其使用範圍。這種情況下，通過對熱電轉換材料的深入研究和新材料的開發，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研究的核心內容。

涂善東表示，當前科技發達國家已先後將發展溫差電技術列入中長期能源開發計劃。其中美國傾向於軍事、航太和高科技領域的應用，日本在廢熱利用方面居於世界領先地位，歐盟則著重小功率電源、感測器和運用納米技術進行產品開發。我國在半導體熱電製冷的理論和應用研究方面具有一定實力，但溫差電研究尚處起步階段，必須迅速加大開發力度，儘快實現溫差電技術產業化，具體的突破點則可定在小型溫差電感測器和工業及垃圾焚燒發電兩個方面。

涂善東說，隨著溫差電領域研究的不斷深入，最近出現了許多新的概念和應用實例，包括高能量密度溫差發電模組、熱電共生系統、加熱迴圈熱電燃燒系統等。隨著熱電性能的進一步提高、製造技術的逐步成熟，人類逐漸解決能源危機，消除能源使用所帶來的環境污染，將不再只是夢想。