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温差热发电技术及其应用

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第１１卷第３期　南京师范大学学报（工程技术版）　Ｖｏ１．１１　Ｎｏ・３　

２０１　１年９月　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＮＡＮＪＩＮＧ　ＮＯＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＥＤＩＴＩＯＮ）　Ｓｅｐｔ，２０１　１　

温差热发电技术及其应用　

李应林，黄虎　

（南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京２１００４２）　

［摘要］　温差热发电作为一种利用工业余热、废热、太阳能、地热能、海洋能等能源，通过循环工质驱动透平发电的技术，兼有　

不消耗煤炭、燃油等紧缺能源，低排放，节能环保等一系列优点．在阐述了温差热发电技术原理的同时探讨了温差热发电循环系　

统以及循环工质的研究进展，从太阳能、地热能、海洋能以及工业余热废热等角度出发，介绍了温差热发电技术的应用．　

［关键词］　热发电，太阳能，余热回收，可再生能源　

［中图分类号］Ｐ７４３．４［文献标志码】Ａ　［文章编号］１６７２—１２９２（２０１１）０３－００２３－０８　

Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

Ｌｉ　Ｙｉｎｇｌｉｎ，Ｈｕａｎｇ　Ｈｕ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００４２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ａｓ　ａ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｕｔｉｌｉｚｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｗａｓｔｅ　ｈｅａｔ，ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ，ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　

ａｎｄ　ｏｃｅａｎ　ｅｎｅｒｇｙ，ｄｒｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｔｏ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆｌｕｉｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａ　

ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｎｏｎ—ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ａｎｄ　ｆｕｅｌ，ｌｏｗ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃ—　

ｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ，ａｎｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　

ｏｆ　ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆｌｕｉｄｓ　ａｒｅ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ，ｇｅｏｔｈｅｒｍａｌ　

ｅｎｅｒｇｙ＂，ｏｃｅａｎ　ｅｎｅｒｇｙ，ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｗａｓｔｅ　ｈｅａｔ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｈｅａｔ　ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅ—　

ｓｃｒｉｂｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｓｏｌａｒ　ｅｎｅｒｇｙ，ｗａｓｔｅ　ｈｅａｔ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｅｎｅｒｇｙ　

气候变化是当今全球面临的重大挑战，遏制气候变暖，拯救地球家园，是全人类共同的使命．我国在发　

展的进程中高度重视气候变化问题，在保护生态环境的基础上，有序发展水电，积极发展核电，鼓励支持农　

村、边远地区和条件适宜地区大力发展生物质能、太阳能、地热、风能等新型可再生能源．中国正全面实施　

十大重点节能工程和千家企业节能计划，在工业、交通、建筑等重点领域开展节能行动；深入推进循环经济　

试点，大力推广节能环保汽车，实施节能产品惠民工程；推动淘汰高耗能、高污染的落后产能，截至２００９年　

上半年，单位国内生产总值能耗比２００５年降低１３％，相当于少排放８亿Ｔ　ＣＯ，．　

温差热发电作为一种利用工业余热、废热、太阳能、地热能、海洋能等能源，通过循环工质驱动透平发　

电的技术，兼有不消耗煤炭、燃油等紧缺能源，低排放、节能环保等一系列优点，有广阔的开发和应用前景．　

发达国家十分重视温差热发电技术，太阳能热发电技术在欧美等国家已经成熟，且已经实现并网发电；日　

本在海洋温差热发电技术方面居世界领先地位．中国在温差热发电技术目前仍处于试验研究与工程示范　

阶段．　

１温差热发电技术原理　

温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循　

环（Ｒａｎｋｉｎｅ　Ｃｙｃｌｅ，ＲＣ）基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术，其主要　

收稿日期：２０１１．０４－２２．　基金项目：江苏省高校自然科学基础研究项目（０９ＫＪＢ４８０００１）、南京师范大学高层次人才资助项目（２００８１１２ＸＧＱｏ１０６）　通讯联系人：李应林，博士，讲师，研究方向：空调制冷新技术及可再生能源利用．Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｙｉｎｇｌｉｎ＠ｎｊｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　

２３—　南京师范大学学报（工程技术版）　第１１卷第３期（２０１１年）　

组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机以及工作流体泵，如图１所示．通过高温　

热源加热蒸发器内的工作流体并使其蒸发，蒸发后的工作流体在涡轮机　

内绝热膨胀，推动涡轮机的叶片而达到发电的目的，发电后的工作流体　

被导人冷凝器，并将其热量传给低温热源，因而冷却并再恢复成液体，然　

后经循环泵送人蒸发器，形成一个循环．　

２温差热发电循环系统及工质研究进展　

温差热发电循环目前主要有闭式循环、开式循环、回热循环、联合循　

环和Ｋａｌｉｎａ循环，其中，在相同的运行条件下，回热循环的循环转换效率　

最高　．Ｄｉｐｉｐｐｏ　对理想的卡诺循环地热发电系统和实际三角循环地热　图１温差热发电技术原理　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　

ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　

发电系统进行了理论分析与比较，结论表明：实际三角循环地热发电系统的最高热效率可以达到理想的卡　

诺循环的效率的８５％．文献［３－５］提出双工质联合循环，其中高温级的循环工质采用水、加热热源采用生　

物质燃料锅炉，低温级的循环工质则采用有机流体、加热热源采用地热源．　

Ｂｒｕｈｎ。。　提出一种单工质混合循环，其中初级加热热源采用地热源，次级加热热源采用生物质燃料锅　

炉，循环工质采用有机流体环己胺．循环工质可以反覆循环使用，其种类主要有氨、丁烷、氟氯烷等密度大、　

蒸气压力高的气体工质　．文献［１０］对某二元闪蒸地热源发电装置，分别将氟利昂、氨以及异丁烷作为　

第二循环工质，研究了不同工质对循环装置的性能影响．Ｋｉｍ等…将１ｔ２２、Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ１４３ａ、１１２９０、　

Ｒ４１０ａ、Ｒ１２７０以及Ｒ７１７等作为温差发电装置的循环工质，分析结果表明：Ｒ７１７和Ｒ１２５具有较好的循环　

转换效率，但考虑到系统初投资和环境问题，Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１４３ａ和Ｒ４１０ａ是较合适的循环工质．文献认为　

Ｒ７１７和Ｒ２２是最有可能的循环工质＿１　．王辉涛等　认为使用正丁烷（Ｒ６００）能获得较高的热效率，而且　

凝结压力与蒸发压力都比较合适，比较适合用作海洋温差发电有机朗肯循环的工质．表１中列出了几种采　

用不同循环工质的低温热源型的小型双工质发电装置　．　

太空温差热发电装置采用Ｂｒａｙｔｏｎ，Ｅｒｉｃｓｓｏｎ和Ｒａｎｋｉｎｅ　３种不同的循环装置，由于特殊的宇宙环境，与　

地面上的温差热发电装置相比，太空温差热发电装置采用不同的循环工质：Ｂｒａｙｔｏｎ和Ｅｒｉｃｓｓｏｎ循环中可　

采用的循环工质有Ａｒ、Ｎ　、Ａｒ—ｘｅ、Ｈｅ、Ｈｅ—ｘｅ以及Ｈ　等，Ｒａｎｋｉｎｅ循环可采用的循环工质有Ａｒ和Ｎ２ｎ　．　

表１　采用低温热源的小型双工质发电装置　

Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｍａｌｌ　ｂｉｎａｒｙ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ　ｕｓｉｎｇ　ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　

３温差热发电换热器研究进展　

热交换器是温差发电系统的关键设备，它对装置的效率、结构和经济性有直接的重要影响，热交换器　

性能的关键是它的型式和材料．Ｎａｋａｏｋａ等人在温差发电装置中，采用壳管板式蒸发器和壳管板式冷凝　

器，并进行了系统性能测试¨　．钛的传热及防腐性能良好，但是价格过于昂贵．美国阿贡国家实验室的　

研究人员发现，在腐蚀性暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到３Ｏ年以上　．板式热交换　

器体积小、传热效果好、造价低，适合应用于闭式循环¨　．　

Ｖａｉｖｕｄｈ等人¨　建立一高温换热器试验装置，该换热器外形由两同轴圆筒构成，其中小圆筒　为　

０．２２　ｍ，高０．８８　ｍ，大圆筒　为０．６３　ｍ，高１．２８６　ｍ，两圆筒之间填充绝热材料，小圆筒内安装有一个垂直　

管和一个螺旋盘管，垂直管内走储热介质，螺旋盘管走循环工质，试验结果表明，该换热器试验装置的最高　

储热效率为０．６３１．Ｇｕｐｔａ等人　对直膨式发电装置进行了有用能分析，分析结果表明，冷凝器模块能量　

一２４

—　李应林，等：温差热发电技术及其应用　

损失最大，太阳能集热器次之，且太阳能集热器模块的有用能损失最大；分析还认为，采用给水加热器个数　

较多时，可获得更高的循环热效率．　

４温差热发电技术的应用　

化石能源日益锐减和化石燃料燃烧所引起的环境恶化等问题使人们意识到利用可再生能源和工业余　

热废热的重要性．太阳能、地热能、海洋温差能、工业余热废热等属于低品位热源，均可作为温差热发电装　

置的高温端的热源．　

４．１太阳能利用　

太阳能发电装置主要分为槽式、塔式和蹀式，槽式太阳能发电装置技术风靡欧洲　，技术发展也最　

成熟ｒ２　，且机组容量一般在５０　ＭＷｅ左右　，当太阳聚焦比为７５，运行温度约４００￣Ｃ时，年热电效率约为　

１０％¨２　；塔式太阳能发电装置在阳光聚焦比约为８００，运行温度约５６０￣Ｃ时，年热电效率可达１５％；对于蹀　

式太阳能发电装置，可分为朗肯循环和斯特林循环，其中采用斯特林循环的蹀式太阳能发电装置主要用在　

美国和欧洲　，其热电转换效率可达到３１．２５％［　。。．　

文献［３１．３３］将天然形成或人工采矿后遗留下的露天深坑设计为热空气烟囱，通过太阳能集热加热空　

气，利用热空气的抽吸作用来驱动风机发电．Ｈｕ等　提出了一种太阳能辅助热发电系统，其中太阳能集　

热板块用来预热从冷凝器出来的循环工质，试验结果表明，该系统发电量比常规的热发电系统提高５％以　

上，而温室气体排放量却减少了５％．　

ｗｕ等人ｌ３　提出一种基于碱性金属热电转换器（ＡＭＴＥＣ）的碟式太阳能发电装置，如该系统由蹀式太　

阳能集热模块和碱性金属热电转换模块组成，两个模块之间由热交换器耦合在一起，研究结果表明，该装　

置最大热电效率可达到２０．６％，对应的运行温度为１２８０　Ｋ．　

文献［３６—３８］提出一种基于太阳能集热的水蒸气一燃气联合发电装置，该装置可以回收系统中产生的　

ＣＯ：．Ｋｏｓｕｇｉ　对两种基于太阳能集热的燃气轮机热发电装置进行了经济性比较，燃气轮机热发电装置Ａ　

不回收系统中产生的ＣＯ　，另一种燃气轮机热发电装置Ｂ回收系统中产生的ＣＯ　，结论表明，当针对ＣＯ　

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温差电现象及其应用温差发电机

温差电现象及其应用温差发电机

温差电现象及其应用——温差发电机

2010级化学物理系 龚科 PB10206089

摘要:本文分为两部分：第一部分介绍温差电现象的产生机理，包含汤姆孙效应、珀尔帖效应和塞贝克效应的介绍.第二部分介绍温差电现象的一种利用，即温差发电机的应用现状及前景.

关键词：温差电现象 汤姆孙效应 珀尔帖效应 塞贝克效应 温差电发电机

正文：

一、温差电现象产生机理

由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差，就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效应.所产生的电动势称为温差电动势，在一定范围内，温差电动势在数值上正比于两接点处的温度差，即

ε=a(T1-T2)， （1）

其中，a为塞贝克系数，在数值上等于单位温度差所引起的电动势.金属的温差电效应较小，a为0~80μV·K-1，用于测量温度，半导体温差电效应较大，a为50~103 μV·K-1，可用来制造温差发电机.温差电效应由德国物理学家塞贝克于1821年首先发现；1834年，法国实验科学家珀尔帖发现了它的反效应：两种不同金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，即珀尔帖效应.1837年，俄国物理学家楞次又发现，电流的方向决定了吸收热量还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流大小成正比.温差电效应根据具体作用原理及表现形式，有汤姆逊效应、帕尔贴效应、赛贝克效应三种.

1、汤姆孙效应

汤姆孙效应即导体两端有温差时产生电动势的现象.其机理是金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大.像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，在温度低端堆积起来，从而在导体内形成电场在金属棒两端便形成一个电势差.这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止.

低温差发电的原理与应用

低温差发电的原理与应用

低温差发电的原理与应用

低温差发电是一种利用低温热源和高温环境之间的温差进行能量转换的发电技术。它的原理基于热电效应，即通过材料的热载流子扩散来产生电流。在低温热源一侧，热载流子被加热并变得高能量，然后通过材料的热载流子扩散，到达高温环境一侧，释放出能量，同时产生电流。

1.温差利用：低温差发电可以利用各种温差资源，如温泉、大海、地下水等。在这些低温环境中，通过低温差发电技术，可以将废热转化为电能，提高能源利用效率。

2.环境能源利用：低温差发电技术可以在自然环境中利用环境温差来产生电能。例如，太阳能光热系统可以利用太阳辐射产生的温差来发电。

3.工业应用：低温差发电技术可以应用于工业生产过程中的废热利用。例如，石化、电力、冶金等行业产生的大量废热可以通过低温差发电技术转化为电能，降低能源浪费。

4.家用电器：低温差发电技术可以应用于可穿戴设备、移动设备等小型电子产品，为其提供可持续的电力支持。例如，通过人体的体温差来发电，为可穿戴设备提供动力。

5.生命科学：低温差发电技术在生命科学领域的应用也非常广泛。例如，可以利用人体和动物体内的温差来产生微小的电量，为生物传感器、植入式医疗设备等提供电力支持。

1.材料的研发：目前低温差发电技术主要依赖于热电材料，因此研发高效的热电材料是发展的重中之重。科学家们正在研究各种新型热电材料，以提高能量转换效率。 2.系统集成：低温差发电技术需要与其他能源转换装置相结合，形成一个完整的能源系统。因此，研发高效的系统集成技术，可以提高低温差发电技术的整体性能。

3.应用拓展：低温差发电技术的应用领域还有很大的拓展空间。科学家们正在研究将低温差发电技术应用于更多领域，如智能建筑、交通运输等，以满足不同领域的能源需求。

温差能利用技术 -回复

温差能利用技术 -回复

温差能利用技术 -回复

温差能利用技术是一种利用温度差异产生能量或者做工的技术。温差是指两个物体或两个区域之间的温度差异。在自然界和人造环境中，温度差异是普遍存在的。通过利用温差，我们能够开发出一系列的技术，从而转换温差能为其他形式的能量，提供应用和解决问题的方法。本文将从介绍基本概念开始，逐步解析温差能利用技术的原理和应用。

首先，我们来简单介绍一下温差能利用技术的基本概念。温差能利用技术是一种利用温度差异产生能量或者做工的技术。根据热力学第二定律，热量能自由流动从高温物体到低温物体，而温差能利用技术正是基于这一原理。通常情况下，温差能利用技术分为两种类型：热机和热泵。

热机是指一种将热能转化为机械能的装置。著名的热机有蒸汽机、内燃机等。这些热机利用温度差异使工质在高温和低温之间循环运动，从而驱动转子进行功的输出。热机的基本原理是利用高温热源给工质提供热量使其膨胀，然后将其冷却到低温状态，使其收缩。通过控制膨胀和收缩的过程，可以实现工质的循环运动，从而产生机械能。热机广泛应用于发电、汽车等领域，是现代工业的重要基础之一。

热泵是一种将热量从低温区域提取，并输送到高温区域的装置。热泵是一种逆转的热机，它利用外部能量将热量从低温处吸收，并将其传递到高温处释放。热泵的基本原理是利用外部能量提供的机械功使工质吸收热能，然后将热能输送到高温区域。热泵广泛应用于供暖、制冷等领域，是一种高效、环保的能源利用方式。

在温差能利用技术中，还有一种重要的技术是热电材料的应用。热电材料是一种具有热电效应的特殊材料，可以将温差直接转化为电能。热电材料基于热电效应的原理工作，即当材料的一侧温度高于另一侧时，存在电子从高温侧向低温侧移动的趋势。通过制造热电材料的热-电性能使能量能够被利用。热电材料在太阳能、供暖等领域的应用潜力巨大。

除了热机、热泵和热电材料，温差能利用技术还有其他一些创新应用。比如温差发扬机（Thermophotovoltaic，TPV）技术，它是利用温差能够使材料产生光辐射，然后再利用光辐射转化为电能的技术。这种技术可以应用于太阳能发电、垃圾焚烧发电等领域。

温差发电技术与参数

温差发电技术与参数

温差发电是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能的有效方式。温差发电具有结构简单，坚固耐用，无运动部件，无噪音等特点。目前在国外已广泛研究。使用普通化石燃料作热源以形成温差发电器的实用系统首推美国专为野外使用而发展的军用电源。它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为热源转换为供给战场、尤其是前沿阵地各种电器设备的电能。由于在这些环境中低噪声、能快速启动、能长期连续工作、易携带、维护方便、后勤保障便利等是使用方首要的考虑，在这些方面，温差电转换发电器大大优于常用的内燃式驱动发电机和化学蓄电池。1988年美国生产了一种外型尺寸为41.2cmX42.2cmX27.3cm的燃烧式温差发电器,该设备的发电元件由120对热电偶组成,可使用多种军用燃油,一次装载后连续工作12小时,产生13.1V直流电压,向负载提供120W的电功率。

2温差电技术的应用

随着环保意识的加强以及对传统能源未来匮缺的担心，充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。2003年黎巴嫩大学的学者将温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁的高温与环境的温差来发电。其实验中所使用的温差电元件即产自中国，因为中国的元件性价比最高，该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国，这为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。

2.2太阳能和地热能热源

太阳能和地热能是新能源体系的主要组成部分，它们无污染，而且可以认为是无匮缺的长期资源。太阳能利用最为方便的形式是集热，通过集热后产生的温差即可用于发电。

2004年泰国学者通过利用置于屋顶的铜板吸收太阳能集热升温与环境之间的温差发电带动轴流风机引导屋顶空气自然对流从而达到给屋顶降温的效果。

2.3放射性同位素热源

对于需要长时间不间断供电而且无须人工维护的应用，温差电转换发电是一种较为理想的选择。所剩下的主要问题就是要寻找一个同样是体积小、寿命长的相应热源。由同位素放射产生热量的方式因其能量密度高、工作寿命长、可靠性高等优点被视为理想热源。