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摘要：随着社会的发展，在能源日趋紧张和保护环境的呼声越来越高的情况下，寻找污染小甚至无污染的新能源或替代能源是每个国家都在探讨的问题。因此许多节约能源且保护环境的技术产品也就应运而生。温差发电虽然由来已久，但其仅限于军事与航天领域，在日常生活中还没有普及。利用温差发电装置作为电源的路灯是利用温差发电的基本原理，应用合理的方法削弱影响供电的不利因素，在正常供电的同时，减少了普通路灯的用电，为节约能源提供了新的思路。
关键词：节约能源温差发电路灯可行性
1.1 温差发电的基本原理：温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种
发电技术，将P 型和N 型两种不同类型的热电材料（P 型是
富空穴材料，N 型是富电子材料） 一端相连形成一个PN 结，如图所示，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN 结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。
1.2 右图为温差路灯的工作装置简图：热端热源为太阳辐射，吸热涂层吸收热量使热端温度提高与冷端产生温差，进而空穴与电子运动，利用蓄电池把电能贮存起来。其中干路的光敏开关控制温差发电器使其在夜晚不再工作，而控制路灯的开关则设计成是夜晚工作。由此可以看出要使路灯正常工作，发电器必须产生足够的功率。
这也是本装置的关键所在！影响发电功率的因素都有哪些呢？如何削弱不利因素呢？就是我们要讨论的主要内容。
2. 研究表明：温差发电器的输出功率和发电效率与高温端温度、低温端温度、负载电阻、发电器电阻等因素有密切的关系。在不同的条件下，温差发电的性能差别较大，本装置采用如下措施来改善其发电性能：
2.1选用合适的PN材料
热电材料是热电器的核心部分，其性能的优劣之间决定着器件性能的好坏。
评价材料热电性能的综合参数为无量纲优值ZT=(α2σ/κ)T， 其中α 为材料的温差电动势率, 即Seebeck 系数，σ 为材料的电导率，κ 为热导率，T 为绝对温度。无量纲优值越大，材料的热电转换效率越高。以Bi2Te3 为基的热电材料ZT 值约为1，是目前室温下热电性能最好的材料。而且，掺杂可以提高材料热电性能，有研究发现室温下P 型Bi2Te3 基材料的优化配方为Bi0.49Sb1.51Te3，seebeck 系數达到158μv/K，N 型材料的优化配方为Bi2Te2.75Se0.25，seebeck 系数达到-120μv/K。同样，还有其他诸如：钴基氧化物热电材料、准晶体材料、超晶格薄膜热电材料、纳米热电材料等，但尚在研究阶段，暂不使用。
2.2 在热端使用吸热涂层
为了在太阳辐射状态下产生较高的温度，可以在热端使用选择性吸热涂层，本装置采用的是以金属陶瓷薄膜为基础的太阳能选择吸收涂层。该涂层吸热能力强，高温下
具有较高的抗氧化和抗扩散能力，同时与基底材料具有良好的结合力。
2.3 在冷端进行散热
为了增大温差，在温差发电片的冷端采用铜铝散热器。该散热器主要特点就是将散热器中通风部件与散热部件分别处理、发挥铜材耐蚀特长及铝材重量轻、导热好、易成型的特点。
2.4在热端使用矩形栅格
在温差发电器的热端加上一定数量的用钢板做成的矩形格栅，由于格栅材料
用的材质为钢板,其吸收系数大于0.9,基本接近黑体(吸收系数为1) ,可近似将其处理为黑体。当电磁波把辐射能由热源输送到热端进入格栅后，经过多次反射,电磁能从矩形格栅辐射出去的几率很小，即大部分电磁辐射能还是能够被格栅所吸收,从而热端温度得以提高。因此改进后的温差发电器可以更多的吸收热源所释放的能量,减少损失，进而提高了温差发电器冷热端的平均温差。
前述采用的各项措施，虽然可以提高温差，但并不是说一味的增加温差就可以提高发电功率。高温还会带来很多不利因素也得加以削弱。
3.1高温加速了器件的损坏，因为焊接处焊料氧化和升华；加速了导流片中的铜原子通过固体扩散作用进入到温差电材料中，而随着时间及扩散作用的进行，温差电材料中的杂质原子浓度不断增加，从而抑制了空穴及电子扩散作用的进行，导致扩散作用逐渐减弱，使得发电器的发电效率降低。本装置使用的是目前较常用的解决办法：在铜连接片和元件端面镀镍。
3.2 发电器冷热端之间形成较大温差，这将造成冷端连接片收缩或热端连接片膨胀，从而产生机械应力。机械应力的存在使得刚性的接头或P、N 电臂很容易断裂，最终可能导致温差电偶的损坏，从而缩短了温差电组件的使用寿命。热胀冷缩产生的机械应力是不可能完全消除的，主要的改善方法有：1)在连接片的中间部分开一缺口或弯曲成弧形，从而使连接片具有一定的收缩性，从而减小作用在P、N 电臂上的机械应力；2)过渡层。在P、N 电臂上加一层过渡层，这种过渡层要求有足够的塑性和较低的电阻，通常用铋或铋合金；3)改变基体材料。如果采用有一定柔性而又能起支撑作用的新材料来代替陶瓷片，通过基体的柔性来缓解机械应力，将能有效地解决电臂断裂的问题。
上述讨论是考虑如何能增加温差，降低其不利影响。那么温差发电器能产生多大温差？是否满足实际需求呢？根据现有资料，使用20 组温差电组件，热电材料为Bi-Te 基材料，最大温差174 ℃，最大输出功率可达到255 W，而传统路灯的功率在250W左右，而使用大功率LED路灯50W就可满足使用要求。因此该装置所产生的功率是满足我们的实际需要的。
应用前景及推广性
本装置是以太阳辐射为能量来源，无污染，无噪声，并且可以与太阳能发电，风能发电联合使用。在“节约能源、保护环境”的大背景下，利用该装置代替传统供电路灯对城市道路、人行道、广场、学校、公园、庭院、居住区，厂区以及其他需要室外照明的场所进行照明,是值得使用推广的。而且，随着对温差发电器研究的深入以及新材料的出现，该项装置的优势会日渐凸显！
参考文献：
[1]赵建云,朱冬生.温差发电技术的研究进展及现状.电源技术（综述），2010，（4）：310
[2]汤广发,李涛.温差发电技术的应用和展望.制冷空调与电力机械，2006，（6）：8
[3] 李时润,徐熙平 .中高温太阳能选择性吸收涂层.太阳能,2010,(3):16
[4]王志宏.铜铝散热器的简单分析与比较.鸡公大学学报,2008,(5):16
[5]况学成,宁小荣.机械合金化法制备BI-TE 基热电材料及其热电性能的研究 .中国陶瓷，2009,(11):35
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：节约能源温差发电路灯可行性
1.1 温差发电的基本原理：温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种
发电技术，将P 型和N 型两种不同类型的热电材料（P 型是
富空穴材料，N 型是富电子材料） 一端相连形成一个PN 结，如图所示，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN 结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。
1.2 右图为温差路灯的工作装置简图：热端热源为太阳辐射，吸热涂层吸收热量使热端温度提高与冷端产生温差，进而空穴与电子运动，利用蓄电池把电能贮存起来。其中干路的光敏开关控制温差发电器使其在夜晚不再工作，而控制路灯的开关则设计成是夜晚工作。由此可以看出要使路灯正常工作，发电器必须产生足够的功率。
这也是本装置的关键所在！影响发电功率的因素都有哪些呢？如何削弱不利因素呢？就是我们要讨论的主要内容。
2. 研究表明：温差发电器的输出功率和发电效率与高温端温度、低温端温度、负载电阻、发电器电阻等因素有密切的关系。在不同的条件下，温差发电的性能差别较大，本装置采用如下措施来改善其发电性能：
2.1选用合适的PN材料
热电材料是热电器的核心部分，其性能的优劣之间决定着器件性能的好坏。
评价材料热电性能的综合参数为无量纲优值ZT=(α2σ/κ)T， 其中α 为材料的温差电动势率, 即Seebeck 系数，σ 为材料的电导率，κ 为热导率，T 为绝对温度。无量纲优值越大，材料的热电转换效率越高。以Bi2Te3 为基的热电材料ZT 值约为1，是目前室温下热电性能最好的材料。而且，掺杂可以提高材料热电性能，有研究发现室温下P 型Bi2Te3 基材料的优化配方为Bi0.49Sb1.51Te3，seebeck 系數达到158μv/K，N 型材料的优化配方为Bi2Te2.75Se0.25，seebeck 系数达到-120μv/K。同样，还有其他诸如：钴基氧化物热电材料、准晶体材料、超晶格薄膜热电材料、纳米热电材料等，但尚在研究阶段，暂不使用。
2.2 在热端使用吸热涂层
为了在太阳辐射状态下产生较高的温度，可以在热端使用选择性吸热涂层，本装置采用的是以金属陶瓷薄膜为基础的太阳能选择吸收涂层。该涂层吸热能力强，高温下
具有较高的抗氧化和抗扩散能力，同时与基底材料具有良好的结合力。
2.3 在冷端进行散热
为了增大温差，在温差发电片的冷端采用铜铝散热器。该散热器主要特点就是将散热器中通风部件与散热部件分别处理、发挥铜材耐蚀特长及铝材重量轻、导热好、易成型的特点。
2.4在热端使用矩形栅格
在温差发电器的热端加上一定数量的用钢板做成的矩形格栅，由于格栅材料
用的材质为钢板,其吸收系数大于0.9,基本接近黑体(吸收系数为1) ,可近似将其处理为黑体。当电磁波把辐射能由热源输送到热端进入格栅后，经过多次反射,电磁能从矩形格栅辐射出去的几率很小，即大部分电磁辐射能还是能够被格栅所吸收,从而热端温度得以提高。因此改进后的温差发电器可以更多的吸收热源所释放的能量,减少损失，进而提高了温差发电器冷热端的平均温差。
前述采用的各项措施，虽然可以提高温差，但并不是说一味的增加温差就可以提高发电功率。高温还会带来很多不利因素也得加以削弱。
3.1高温加速了器件的损坏，因为焊接处焊料氧化和升华；加速了导流片中的铜原子通过固体扩散作用进入到温差电材料中，而随着时间及扩散作用的进行，温差电材料中的杂质原子浓度不断增加，从而抑制了空穴及电子扩散作用的进行，导致扩散作用逐渐减弱，使得发电器的发电效率降低。本装置使用的是目前较常用的解决办法：在铜连接片和元件端面镀镍。
3.2 发电器冷热端之间形成较大温差，这将造成冷端连接片收缩或热端连接片膨胀，从而产生机械应力。机械应力的存在使得刚性的接头或P、N 电臂很容易断裂，最终可能导致温差电偶的损坏，从而缩短了温差电组件的使用寿命。热胀冷缩产生的机械应力是不可能完全消除的，主要的改善方法有：1)在连接片的中间部分开一缺口或弯曲成弧形，从而使连接片具有一定的收缩性，从而减小作用在P、N 电臂上的机械应力；2)过渡层。在P、N 电臂上加一层过渡层，这种过渡层要求有足够的塑性和较低的电阻，通常用铋或铋合金；3)改变基体材料。如果采用有一定柔性而又能起支撑作用的新材料来代替陶瓷片，通过基体的柔性来缓解机械应力，将能有效地解决电臂断裂的问题。
上述讨论是考虑如何能增加温差，降低其不利影响。那么温差发电器能产生多大温差？是否满足实际需求呢？根据现有资料，使用20 组温差电组件，热电材料为Bi-Te 基材料，最大温差174 ℃，最大输出功率可达到255 W，而传统路灯的功率在250W左右，而使用大功率LED路灯50W就可满足使用要求。因此该装置所产生的功率是满足我们的实际需要的。
应用前景及推广性
本装置是以太阳辐射为能量来源，无污染，无噪声，并且可以与太阳能发电，风能发电联合使用。在“节约能源、保护环境”的大背景下，利用该装置代替传统供电路灯对城市道路、人行道、广场、学校、公园、庭院、居住区，厂区以及其他需要室外照明的场所进行照明,是值得使用推广的。而且，随着对温差发电器研究的深入以及新材料的出现，该项装置的优势会日渐凸显！
参考文献：
[1]赵建云,朱冬生.温差发电技术的研究进展及现状.电源技术（综述），2010，（4）：310
[2]汤广发,李涛.温差发电技术的应用和展望.制冷空调与电力机械，2006，（6）：8
[3] 李时润,徐熙平 .中高温太阳能选择性吸收涂层.太阳能,2010,(3):16
[4]王志宏.铜铝散热器的简单分析与比较.鸡公大学学报,2008,(5):16
[5]况学成,宁小荣.机械合金化法制备BI-TE 基热电材料及其热电性能的研究 .中国陶瓷，2009,(11):35
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。