温差电技术的应用

最早的温差发电机于1942年由前苏联研制成功, 发电效率为1.5%~2%. 之后一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差电技术的发展. 从20世纪60年代开始陆续有一批温差发电机成功用于航天飞机、军事和远洋探索. 近几年随着科学技术的不断进步, 温差发电机正逐渐拓宽其应用领域, 不仅在军事和高科技方面, 而且在民用方面也表现出良好的应用前景. 随着能源与环境危机的日益逼近, 科学家在利用低品位与废能源发电方面加大了研究力度, 部分研究成果已进入产业化.

2.1 远程空间探索
自从1969年阿波罗号飞船成功登陆月球, 人类对太空的探索一直在不断深入地进行中. 随着探索空间的拓展, 人们将目标投向更远的星球、甚至是太阳系以外的远程空间. 在远离太阳、黑暗、冰冷和空洞的世界里, 太阳的辐射量极其微小, 太阳能电池很难发挥作用. 使用热源稳定、结构紧凑、性能可靠、寿命长的放射性同位素温差发电系统成为理想的选择. 利用温差电技术, 一枚硬币大小的放射性同位素热源能够提供长达二十年以上的连续不断的电能, 这是其他任何一种能源技术所不能比拟的. 美国国家航空和宇航局(NASA)已先后在其阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上使用以各种放射性同位素为热源的温差发电装置. 其中航行者1号飞船需要在太空中进行长达25年的科学考察, 该飞船上的所有电能均由热电转换模块提供. 其发电系统包括1200个温差发电机, 由放射性燃料Pu-238的中子衰减提供热能. 该电力系统已安全运行了21年, 预计可继续工作15至20年.
相比于太阳能电池, 放射性同位素温差发电系统不仅具有寿命长和性能可靠的优点, 而且拥有诱人的比体积和比重量. 尤利西斯号飞船如按照太阳能电池进行结构设计, 其携带电池板的重量将达 550 kg, 是飞船自身重量的两倍, 对运载火箭来说难以负荷. 而采用温差发电系统时, 发电机的重量只有56 kg, 完全可以满足飞船在航行、通讯和科学仪器使用方面的所有用电要求1). 图2为放射性同位素温差发电系统的外形图, 图3为其剖面图.

图3 放射性同位素温差发电系统剖面图
2.2 军事
放射性同位素发电机除了在航天领域发挥重要作用外, 海军是其第二大用户. 早在20世纪80年代初, 美国就完成了500~1000W军用温差发电机的研制, 并于80年代末正式列入部队装备. 其最大的优点是无声音、无振动、隐蔽, 在潜艇、远程信号传输等方面具有重要应用. 将温差发电机放在深海中为无线电信号转发系统供电. 该系统是美国导弹定位系统网络的一个组成部分, 其设计工作深度达10公里, 工作功率大于1W, 寿命在10年以上. 最近Hi-Z公司为军方开发了基于量子点原理制造的高性能微型温差发电模块[14], 用于船载多种无线传感器的电源供给. 这些传感器肩负着监测断裂、腐蚀、撞击破坏以及温度漂移等多项任务, 惟有温差发电机能满足其对电源尺寸、重量、泄漏和寿命等多方面极高的要求.
为满足陆军对电源系统的特殊要求——轻便、灵活、充电方便等, 从1999年开始, 美国能源部启动了“能源收获科学与技术项目”1). 研究利用温差发电
模块, 将士兵的体热收集起来用于电池充电. 其近期
目标是实现对12小时的作战任务最少产出250瓦小时的电能, 目前该研究项目已取得了多项研究成果.

2.3 远距离通讯、导航和设备保护
温差电技术性能稳定、无需维护的特点使其在发电和输送电困难的偏远地区发挥着重要的作用[15], 已用于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站电源、远地自动无线电接收装置和自动天气预报站、无人航标灯、油管的阴极保护等. 图4为世界最大的温差发电机生产商——美国Global Thermoelectric Inc制造的用于管道监控、数据采集、通讯和腐蚀防护的温差发电设备2), 输出功率可达5000W. 前苏联从1960年代末开始先后制造了1000多个放射性同位素温差电机, 广泛用于灯塔和导航标志, 平均使用寿命长于10年. 该类型发电机以Sr90为热源, 可稳定提供7~30V, 80W的输出.

2.4 小功率电源
体积小、重量轻、无振动、无噪音使温差发电机非常适合用作小功率电源 (小于5W). 在各种无人监视的传感器、微小短程通讯装置以及医学和生理学研究用微小型发电机、传感电路、逻辑门和各种纠错电路需要的短期微瓦、毫瓦级电能方面, 温差电技术均可发挥其独特的作用[16,17]. 图5 是Hi-Z公司制造的可协调荷载的微电池, 其输出功率可达2.5W, 输出电压3.3V4).

寸为cm2量级的可集成通用型温差电微电池系统研究[18]. 经过三年的项目开发, 目前一些产品已进入实用阶段.

日本精工仪器公司研制出一种利用人的体温发电的手表用微型电