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摘要：温差发电是一种全固态、无需化学反应的能量转换方式，其利用热电材料将热能直接转换为电能，本文介绍了温差发电技术的发展情况，并从专利视角出发，对温差发电技术的专利申请进行了汇总分析。
关键词：热电材料；温差发电；专利
1 引言
半导体温差发电是一种低品位热源，它具有结构简单、无噪声等优点。相比于传统的化学电池，它在环保、寿命及体积等方面有着明显的优势。如今，利用温差发电原理，将环境中的热源有效转换为电能回收供电，成为各大科研机构、公司的研究重点之一。
2 历史发展及现状
温差发电技术最早起源于塞贝克效应。1821年，德国科学家汤玛斯·塞贝克（Thomas Seebeck）把一个由两种不同导体组成的闭合回路放置在指南针附近，当对其回路中的一个接头进行加热后，指南针便会相应发生偏转，这一发现奠定了温差发电的理论基础。1834年，法国科学家琼·珀尔贴（Jean Peltier）通过实验发现当电流流过两种不同的金属导体时，接头附近的温度会因此改变。1855年，爱尔兰科学家威廉·汤姆逊（William Thomson）将上述两位科学家的发现相结合，对后来温差电学和热力学发展起到了极大的推动作用。
近年来，随着固体物理学的发展，有研究指出半导体材料的塞贝克系数高于金属导体。其中前苏联科学家约飞（Ioffe）及其同事不仅提出了关于半导体温差电的理论，更从理论和实验上证明利用二种以上的半导体形成固溶体，可以使材料的热导率和电导率之比大大减小，从而使半导体材料的研究取得了重要突破。期间，一些至今仍在使用的温差电性能较高的制冷和发电材料Bi2Te3、PbTe、SiTe等固溶体合金也相继被研究人员发现。
如今，随着能源危机和环境污染的加剧，人们开始更多地关注温差发电在废余热利用中的价值，许多国家在温差电材料、器件和系统、应用研究等方面投入了大量人力物力财力，也相应取得了很多有意义的进展[1-2]。
3 专利申请情况
本文通过比较准确的关键词，在DWPI数据库和CNABS数据库中进行了检索及统计分析。
3.1 DWPI数据库中全球专利申请情况
分析检索和统计结果，从年分布来看，专利申请量基本上总体呈现逐年递增的趋势。申请量最多的国家为中国，其次是日本、德国、韩国、美国，由此可以看出，虽然国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，但各企业、科研单位及个人对半导体温差发电技术的研究和应用前景比较看好，专利申请量增多。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对于申请人而言，日本丰田汽车公司专利申请排名第一，其次是日本的东芝、松下电器公司，国内申请中浙江大学专利申请量较多，对比主要申请国家（地区）分布可以看出，日本申请主要集中在公司申请。
3.2 CNABS数据库中国内专利申请情况
根据检索结果显示，我国专利制度起步较晚，2008年以前国内专利申请量较少，2014－2018年处于飞速增长的阶段，国内申请以高校为主，且有相当数量的个人申请，浙江大学专利申请量排名第一，天津大学、武汉理工大学、华南理工大学、安徽工业大学、江苏大学等专利申请量也较多，表明国内各高效重视对于半导体温差发电技术的科研研发，但目前还未形成规模化的产业链，专利应用于公司产品较少；此外，韩国的现代汽车公司等汽车行业的公司在半导体温差技术领域也有相当数量的专利申请，随着全球汽车产量不断提高、工业生产的消耗和排放，使得对无环境污染的新型能源使用方式的研究加大，专利申请增多。
4 专利技术现状分析
温差发电技术中最核心的部分就是热电材料，热电材料性能的好坏直接决定器件效能的优劣。目前，热电材料相关专利涉及的主要研究方向有：钴基氧化物热电材料、超晶格薄膜热电材料、准晶体材料、纳米热电材料以及多化合物复合型热电材料。例如公开号为US2006118158A1的专利申请涉及一种纳米结构的块状热电材料，可获得较高的品质系数；公开号为CN101969095A专利申请涉及一种准一维纳米结构热电材料，其通过改变衬底沟槽大小和沉积时间可达到对纳米线横截面大小的控制，从而降低材料的热导率，提高材料的热电转化效率。
温差发电器的冷端散热方式也是影响发电器性能的重要因素，目前主要的散热方式有风冷、液冷和相变散热。
例如专利申请CN205160410U、CN201584930U分别公开了整体水冷式温差发电模块及循环水冷式热发电装置，从而在热电模块的冷热端最大限度地形成温差，有效地将热能直接转换为电能。
近年来，随着高性能热电材料的开发成功，温差发电技术在工业和民用产业领域的应用成为可能。例如专利申请CN102072641A公开了一种利用水泥回转窑表面余热发电的系统；专利申请CN204068767A公开了一种可以穿戴的温差发电装置，该发电装置以日常穿着为载体，利用人体散发的热能这一新型、绿色、环保能源发电，因此可随时随地发电；专利KR1327732B1公开了一种车辆的热电发电机，其安装于车辆的排气系统中，使用汽车废气的热量来产生电力。
5 小结
温差发电技术为提高能源利用率提供了技术保障，未来从提高热源的热利用效率、拓宽温差发电组件的应用领域等方面出发，温差发电技术将会更大地发挥其在低品位能源利用方面的优势。
当前，虽然我国专利申请总量居于全球首位，但是，专利应用于公司产品较少，应该加强对温差发电技术创新研发投入，提高专利质量，增强自主知识产权技术。（注：第二作者所作贡献与第一作者等同）
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[J].电源技术，2010，34（3）：310-313.
[2] 屈健，李茂德.半导体温差发电器的工作性能优化[J].低温工程，2005（2）：20-23.
论文作者:肖竹欣,张垚
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/6/25
标签：温差论文; 专利申请论文; 材料论文; 热电论文; 技术论文; 半导体论文; 专利论文; 《电力设备》2018年第8期论文;