摘要：目前电力系统的在线监测装置供电单元多为锂电池、太原能、CT自取电等方式，但其存在许多不足，因此提出利用电力设备金属结构与周围环境的温差，采用温差发电装置供电。本文通过发电原理、应用现状和优缺点阐述了该方案的应用前景，通过发电功率、成本等方面讨论了该方案应用的可行性。
关键字：温差发电；电力系统；可行性研究
0引言
随着电力系统智能化的全面布局，目前大多数电力设备上都加装了在线监测装置，而该类装置的供电方式主要有锂电池、太阳能、CT取电等方式。目前传统的供电方式存在很多不足，如电池的寿命有限、废电池污染环境、工作温度受限；太阳能板占用空间较大、需要定期清洁面板；CT取电占用空间大、对线路电能质量要求高。为避免上述问题的发生，希望寻求一种新的供电方案。考虑到现有在线监测设备主要为低功耗装置，其要求供电具有稳定性和持续性，且被监测设备多为金属外壳或支架，因此本文对温差发电和小型储能元件结合的供电方案进行可行性探究，其主要利用被监测设备的金属机箱因太阳照射而升温，与周围环境形成较明显的温差，通过温差发电装置将该温差能转换为电能，为在线监测装置供电。
1温差发电原理简述
温差发电是一种将温差能直接转换成电能的方法，其利用的是热电效应[1]，即P、N两种不同类型的半导体材料，放置在温度有差异的环境中，由于塞贝克效应，置于高温处的材料由于热效应，此处的电子浓度较高，与低温处形成梯度差，二者之间会产生电动势，当接入负载后就形成电流。
2应用现状
1821年，由德国物理学家塞贝克发现了温差发电的原理，由此开始了温差发电的研究，我国于上世纪60年代开始研究热电材料，到90年代时该技术已经在多个领域开始应用，但主要应用于制冷领域[2]。随着技术的成熟，开始向温差发电方向发展，但由于其转化率一直无法提高，应用领域有限，推广价值不高，主要在军事、航天、医学等前沿领域应用。
随着全球能源危机和环保意识的不断深入，将废热回收利用成为一个新的研究课题，因此温差发电技术开始在火力发电、炼钢、电解铝等行业用于余热回收利用，也有利用人体和环境温差发电的手表等前端产品应用。因为温差发电过程利用的是热电效应，无化学污染，且其具有体积小、质量轻、寿命长等特点，目前主要在荒漠地区、海洋浮标和灯塔等无人值守的现场尝试应用，距离全面替代现有供电方式还有较多技术问题需要解决。在电力行业目前多见的为火力发电厂和太阳能发电厂等用于废热回收，在输配电等工区还未发现温差发电的大量应用。
3温差发电的优缺点
温差发电相比于传统的供电方式具有显著的优点，如转换过程无需机械运动，具有无噪音、结构简单、安装和维护方便的特点；其转换过程利用热电效应发电，发电过程安全无污染；热能利用范围宽且发电开启的温差仅十几度，应用领域和场所较广；其发电过程主要采集自然热和废热，发电成本相对较低。
虽然其优点显著，但其本身存在较明显的缺点，如由于热传导等原因，无法保证温差发电片冷热两端长时间保持较大的温差；由于温差主要来自废热和自然热使温差不稳定，即发电的电能基本不能直接利用；由于半导体材料等技术的限制，目前发电效率一般不超过10%，使得应用领域和范围受限；其发电功率除了受到温差影响外，还与接入负载有关，因此需要用专业仪器匹配设计前端电路，以期提高发电效率。
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4在电力系统应用的可行性
4.1温差能获取
温差发电装置主要用于被监测设备为金属结构的现场，我国大部分地区光照充足，金属结构的电力设备放置在户外后，经过太阳照射会快速升温，使得金属表面和环境温度之间存在温度差，温差发电装置将此温差能转换为电能。为较直观的判断该环境下发电功率的可行性，设置如下环境进行定量计算，电力设备金属材质为不锈钢，金属对太阳辐射吸收系数为0.3，太阳辐射强度为2200W/m2，光照持续等效时间为4小时，通过上述数据简单估算可知，金属和环境温度差约为38℃，而目前温差发电片在10℃温差时即可开始发电，当温差为40℃时，单片温差发电片的开路电压约2V，电流约0.3A，而其体积仅为4cm的正方形，厚度仅为0.3cm，即通过将多片温差发电片串并联即可获取需求的电压和电流，且占用面积很小。通过上述数据估算可知，在天气晴朗的时候，单片温差发电片一天发电2.4WH，即可维持功耗20mA的5V设备持续运行，采用多块温差发电片和小容量储能元件，可提供在线监测装置运行的电压和电量。
4.2成本分析
本文所提出的方案为采用小容量电池和温差发电装置为在线监测装置提供电量，与太阳能发电相比，均需要小容量电池，而太阳能充电板和温差发电板的价格相当或前者略高[1]；与锂电池相比，同样的持续供电时间下，锂电池的价格远高于温差发电板。如果计算太阳能板的清洗维修和电池的更换处理等费用，则温差发电成本相对较低、且基本实现免维护，有利于在无人值守的现场应用。
4.3其他需求
温差发电从发电功率和成本角度考虑满足在线监测装置的需求，但其在实际应用中仍存在不足之处，如温差发电片的冷端会因为热传导而温度逐渐升高，而加装散热片又会因为太阳照射而升温，因此需要设计一种可快速散热的散热结构，且需通过表面处理减少其吸收太阳辐射；温差发电功率与负载特性有关[3]，所以不能直接接入负载，需要根据发电模块的特性，设计前端充电管理电路，以期发电功率最大化。
5总结
本文通过简述温差发电的原理、应用现状和优缺点，可以预见其开发和应用将有利于解决全球能源危机和环境问题，将作为研究废热回收和自然热转换的重要课题，其技术必将不断更新，转换效率将不断提高[4]。本文从发电功率和成本等多方面讨论，认为利用电力设备金属机箱与周围环境温差发电，为在线监测装置提供电能的方案是可行，随着研究的不断深入和技术的不断完善，其有望作为电力系统在线监测装置的主要供电方式。
参考文献：
[1]张鹏,曾狄根,黄学章等.半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析[J].广西轻工业,2009,25(12):27-28,32.
[2]郑艳丽,张卫华,杨梦春等.热电半导体发电器和致冷器的应用前景[J].铜业工程,2010,(4):59-62.
[3]刘永刚,张辉.半导体温差发电装置最优工作区控制研究[J].电气传动,2016,46(8):71-74.
[4]张同俊,彭江英,杨君友等.热电功能材料及其在发电和制冷方面的应用前景[J].材料导报,2002,16(5):11-13.
作者简介：郭鑫，1992年1月23日，北京科技大学计算机与通信工程学院，通信工程专业
山西省电力公司科技项目资助（合同号：SGSXDT00XTJS1700091 ）”
论文作者:郭鑫1,薛辉1,李梅青1,李学勤1,张兴忠2
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
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