温差发电和室温纳米催燃的温差发电

------热电效应和纳米催化燃烧相结合的发电技术

华中科技大学，徐长发，2017.6.20

热电效应大家已知，纳米催化一些化学反应大家也已知，可是纳米材料还可以催化一种特殊的化学反应---燃烧，燃烧产生温度差，这就可以利用热电效应发电了。上海大学正在研究这项发电技术，这引起了全世界的高度关注。

一．温差发电

将两种不同类型的热电转换材料N和P焊接起来，一端置于“高温状态”，另一端开路并处于“低温状态”。由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在有温差的两端形成电势差。如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，做成一个温差发电机。

热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无振动、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点。温差发电技术和太阳能、风能、水能发电一样，对环境没有污染。在清洁能源研究开发中，温差发电技术被重点关注。 

利用热电效应不仅可以做出温差发电机，而且还可以做出温差电的传感器和测温热电偶等器件。

 显然，温差发电的技术的关键在于：1.用什么材料才能使发电效率提高。     2.温差如何提供，特别是室温左右的小温差也能发电。3.如何实用。

热电转换技术发展至今已有半个多世纪了，也随着现代科学技术的不断进步而逐渐走入我们日常生活。不过，一般是小于5W的小功率电源。现在，热电饮水机、热电冰箱、热电空调都已经出现，并正在逐步推广。

温差发电可利用地热温差，我国有很多地热源，将来一定会被用于发电。温差发电也可以变废热为电，废弃热源遍及化工厂、钢铁工业、水泥工业、造纸业、石油冶炼业等行业，产生出可观的工业余热；垃圾焚烧产生热；汽车尾气有余热；还有太阳辐射热，海洋温差热等自然热；等等。利用废热发电，原料费用几乎为零，运行成本很低，所以从长远的观点来看，温差发电完全可以和现有的发电方式进行商业竞争。

在高端技术方面，温差发电也有极其重要的应用。例如，通信技术中光纤接口处的精确温控就是利用了热电致冷技术；处于极地、沙漠、森林等无人地区的微波中继站，其电源多数使用了热电发电技术。又例如用核废料或其它放射性物质在封闭放射性的条件下提供热源，一枚硬币大小的放射性同位素热源，就能提供长达20年以上的连续不断的电能，从而大大减轻了航天器的负载，这项技术已先后在阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上得到使用。

放射性同位素发电机在军事方面的应用也不可小视。早在20世纪80年代初，美国就完成了500W～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，放在深海中为美国导弹定位系统网络供电，并转发收集到的无线电信号。1999年，美国能源部又启动了“能源收获科学与技术项目”，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。

虽然温差发电已有诸多应用，但长久以来受到热电转换效率和较大成本的限制，温差发电技术向工业和民用产业的普及受到很大制约。虽然最近几年随着能源与环境危机的日渐突出，已有一批高性能热电转换材料开发成功，温差电技术的研究又重新成为热点，但突破的希望还是在于转换效率的稳定提高方面。 

当前科技发达国家已先后将发展温差电技术列入中长期能源开发计划。其中美国倾向于军事、航天和高科技领域的应用，日本在废热利用方面居于世界领先地位，欧盟则着重于小功率电源、传感器和运用纳米技术进行产品开发，我国在半导体热电制冷的理论和应用研究方面具有一定实力。当前，全世界都在加大温差发电的研究和开发力度。

二。纳米材料催化燃烧，把化学能高效转化为热能

上海大学胡志宇教授是“海归”，他于2005年10月18日，在国外的实验室里意外发现，手中沾有纳米颗粒的棉花球置于甲醇气体上方时，“居然冒烟了”，也就是说，在没有点火的室温条件下，燃烧发生了。进一步研究发现，用铂纳米颗粒可使得甲醇、乙醇、氢气和空气的混合物，在室温条件下发生自动的可持续性的燃烧，持续性放热。

这是一种什么样的燃烧？原来，甲醇分子接触到铂纳米颗粒催化剂后，就开始发生氧化反应，产生二氧化碳和水，放出能量，但是由于在纳米尺度下，所以热能释放仅仅局限于纳米颗粒表面，不会把热量浪费在加热周边环境中，热能损耗极大地降低了。做个实验，一团玻璃纤维中心部位粘有催化燃烧的纳米粒子，放在手心里，置于甲醛气体上方，自动燃烧了，能看到燃烧所出现的红色，但却一点也不烫手。

三．全固态室温纳米催化燃烧发电

胡志宇教授意识到，这种纳米催化燃烧是在室温下产生温差的非常简便的方法，如果再与温差发电技术结合，就是一种把化学能简便地转化为热能，再简便地转化为电能的方法。于是，他提出了全固态室温纳米催化燃烧发电技术，他申请的专利在2017年4月已获得美国国家专利局批准。

如今，胡志宇教授所在的上海大学纳微能源研究所，积极与国内生产企业合作，已经成功地开发出了我国第一台具有自主知识产权的红外显微热像系统。2016年7月，研究所与上海国际汽车城人才基地，合作建设了国内第一条用于制造“NanoEPower”芯片的生产线，这是世界首创的用“纳米火”实现全固态发电的芯片。

这种全固态室温纳米催化燃烧发电技术，有什么优点？

1.该技术也是一种温差发电，所以该技术也具有前面所述的关于温差发电的全部优点。

2.该技术是在纳米颗粒表面，直接将燃料的化学能转换为电能，所以能量得到了最大限度的利用。要知道，传统的高温燃烧发电，热能量的损失高达70-80%以上。

3.发电成本被大幅度降低。有了高效的热电转换单元，其发电的成本要比太阳能发电成本还要低很多。

4.在室温下，自动燃烧，燃烧可控。

5.催化剂用量小。发电效率高。只需要维持20度左右的温差，单位面积上的热电子就能获得足够大动能，就能产生持续输出的定向电流。理论上的能量转化效率可80%，目前该实验室已经能达到40%-45%。

6.用“纳米火”实现全固态温差发电的芯片，可以组装成体积小而效率高的发电装置。该技术被国外众多科学家认为是“具有广泛应用前景的革命性新能源技术”，引起了世界范围的广泛关注。该技术将有可能改变传统的能源供给方式，同时为节能减排问题的解决提供全新的思路。

四．展望

目前，全固态室温纳米催化燃烧发电技术，才刚刚起步，还只是生产出小功率的热电转换芯片。显然，寻找价格便宜的、催化燃烧效率高的纳米颗粒，是研究目标之一；另外，像燃料电池那样，把小功率的芯片组装起来，生产出大功率的纳米催化燃烧发电的“电堆”，可进一步提高该技术的实用性。可以肯定，要不了多久，这些技术问题都将被克服。

把该技术用作汽车动力一定会实现，汽车上装上纳米催化燃烧发电的“电堆”，加注甲醇或乙醇这些液体燃料，如同给汽车加汽油一样，汽车就可以长时间续航了。

若干年之后，在诸多工程人员的努力下，会出现另一幅简便的用电局面。工厂通过煤气化得到大量的甲醇和乙醇，用管道输送到千家万户，只要打开阀门，家家户户都能实时发电，根据自家的需要发电。对于家庭用电来说，传统使用的电网输送交流电的模式将会逐步消失。

附：胡志宇教授的照片。

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