國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作天津中心 肖竹欣

1 概述

溫差發(fā)電是一種全固態(tài)、無需化學反應的能量轉(zhuǎn)換方式，是繼太陽能、風能之后又一種新能源利用方式，備受世界各國關注[1-3]。其工作原理簡述為：將兩種不同類型的熱電材料一端相連形成一個PN結(jié)，置于熱源附近，另一端形成冷端，由于熱激發(fā)作用，P（N）型材料熱端空穴（電子）濃度高于冷端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子就開始向冷端擴散，從而形成電動勢，單獨的一個PN結(jié)可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結(jié)串聯(lián)起來就可以得到足夠成為一個溫差發(fā)電器。

2 專利申請現(xiàn)狀分析

本文通過比較準確的關鍵詞，在相關數(shù)據(jù)庫對全球范圍內(nèi)專利申請進行了檢索，并對全球?qū)＠暾垟?shù)據(jù)和中國專利申請數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，共涉及2492件專利申請，數(shù)據(jù)統(tǒng)計公開日截止到2017年4月。

2.1 全球?qū)＠暾埩康哪攴植?/h3>

專利年度申請量趨勢能夠在一定程度上反映技術受關注的程度及技術發(fā)展的趨勢，從年分布來看，專利申請量基本上總體呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，1998年以前年均申請量均小于10件，從2008年開始，隨著熱電材料性能提高、冷端散熱方式增多以及應用領域更加全面，溫差發(fā)電技術的能源需求也越來越高，因此專利申請量也快速增長，并且從2009年開始年均申請量均超過100件。

2.2 全球主要申請人的區(qū)域

主要申請國家（地區(qū)）分布能夠反映該國（地區(qū)）對技術的關注和研究程度。申請量最多的國家為中國，專利申請量為1232件，其次是日本、德國、韓國、美國，從中可以看出，雖然國內(nèi)在溫差發(fā)電方面的研究起步相對較晚，但各企業(yè)、科研單位及個人對半導體溫差發(fā)電技術的研究和應用前景比較看好，專利申請量增多。

從主要申請人及其申請量來看，日本豐田汽車公司專利申請排名第一，其次是日本的東芝、松下電器公司，國內(nèi)申請中浙江大學專利申請量較多，對比主要申請國家（地區(qū)）分布得出，日本申請主要集中在公司申請，表明半導體溫差發(fā)電技術對經(jīng)濟發(fā)展帶來的推動作用。

2.3 國內(nèi)相關專利申請分布

我國專利制度起步較晚，2000年前關于半導體溫差發(fā)電技術的國內(nèi)專利申請幾乎沒有，國內(nèi)專利年度申請量總體呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，2008年以前國內(nèi)專利申請量較少，2014－2016年處于飛速增長的階段，表面半導體溫差發(fā)電技術在此期間取得較大的進展，尤其伴隨著全球汽車產(chǎn)量不斷提高、工業(yè)生產(chǎn)的消耗和排放，使得對無環(huán)境污染的新型能源使用方式的研究加大，專利申請增多。

國內(nèi)申請以高校為主，且有相當數(shù)量的個人申請，浙江大學專利申請量排名第一，天津大學、武漢理工大學、華南理工大學、安徽工業(yè)大學、江蘇大學等專利申請量也較多，表明國內(nèi)各高效重視對于半導體溫差發(fā)電技術的科研研發(fā)，但目前還未形成規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)鏈，專利應用于公司產(chǎn)品較少；此外，韓國的現(xiàn)代汽車公司等汽車行業(yè)的公司在半導體溫差技術領域也有相當數(shù)量的專利申請。

3 專利技術發(fā)展現(xiàn)狀分析

半導體溫差發(fā)電技術在低品位能源利用上的優(yōu)勢，使其得到廣泛關注，應用領域也越來越廣，但是溫差發(fā)電器存在發(fā)電效率低、溫差熱電組件使用壽命短、可靠性不高等問題，對于發(fā)電效率而言，目前溫差發(fā)電效率一般為5%-7%，遠低于火力發(fā)電的40%，最主要的原因是熱電材料性能不不理想，另一方面是發(fā)電器的匹配問題；對于可靠性問題，溫差發(fā)電器要達到較高的發(fā)電效率通常要求發(fā)電組件冷熱端之間形成較大溫差，這將造成冷端連接片收縮或熱端連接片膨脹，從而產(chǎn)生機械應力，且環(huán)境因素如濕氣和高溫也會加速器件的損壞。針對這些技術問題，研究學者目前主要集中在熱電材料性能提升、冷端和熱端溫差維持、應用領域三個分支，以下分別對這幾個方面的專利技術進行分析。

3.1 熱電材料性能提升

熱電材料作為熱電器件的核心部分，性能的好壞直接決定器件效能的優(yōu)劣。優(yōu)值ZT是衡量熱電材料性能最重要的參數(shù)，ZT值越高，材料的熱電性能越好，能量轉(zhuǎn)換效率熱高，而為了提高該優(yōu)值，熱電材料應該以滿足：1）增大塞貝克（或熱電勢）系數(shù)；2）減小電阻率；3）減小熱導率的方式形成。為此，研究學者積極尋找和開發(fā)具有較高優(yōu)值ZT的新型熱電材料，研究方向主要有：鈷基氧化物熱電材料、超晶格薄膜熱電材料、準晶體材料、納米熱電材料以及多化合物復合型熱電材料。公開號為US2005076944A1的專利申請中公開了一種含銀熱電化合物，其設計了一種通式為Ag1-xMmM’Q2+md的熱電材料，這種材料能夠通過摻雜有選擇的雜質(zhì)，以制備具有所期望熱電性能（如提高的塞貝克系數(shù)和優(yōu)值ZT）的P-型和N-型半導體；JP2011049538中公開了一種鋁-鎂-硅復合的熱電轉(zhuǎn)換材料，其具有較高電導率，從而能夠獲得優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換特性；CN101921928A中公開了一種具有填充方鈷礦晶體結(jié)構(gòu)的熱電材料，其具有較低晶格熱導率，從而能過獲得較高的優(yōu)值。

3.2 冷端和熱端溫差維持

溫差發(fā)電器的輸出功率和發(fā)電效率與熱端、冷端的溫度差、溫差發(fā)電回路電流、負載電阻等密切相關，為了保持較高的溫差，往往需要維持熱端高溫，同時在發(fā)電器低溫端增加散熱裝置，以使熱量及時散失，因此溫差發(fā)電器的冷端散熱方式也是影響發(fā)電器性能的重要因素，目前主要的散熱方式有風冷、液冷和相變散熱。公開號為CN105932962A的發(fā)明專利申請中公開了一種太陽能發(fā)電和溫差發(fā)電有效結(jié)合的發(fā)電系統(tǒng)，溫差發(fā)電裝置的冷端采用水箱冷卻散熱，水箱的水來源于地下水，且溫差發(fā)電裝置能夠根據(jù)冷端和熱端之間的溫度差選擇不同深度的地下水作為冷源使用，以此獲得更大的發(fā)電功率；JP2005137159A中公開了一種風冷式熱電發(fā)電裝置，其采用銅或者鋁制作的散熱翅片進行散熱，在熱端和冷端均設置有熱傳導材料，同時在散熱翅片頂部安裝有風扇用于強制風冷，可有效地提高散熱器的對流換熱系數(shù)，減小散熱面積，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)和維護。

3.3 應用領域

由于受到熱電轉(zhuǎn)換效率低和溫差發(fā)電器件制作成本高的制約，溫差發(fā)電技術長期以來主要應用于航天和軍事等尖端領域，而在民用方面較少。近年來，隨著高優(yōu)值、高性能熱電材料的開發(fā)成功，溫差發(fā)電技術在工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)領域的應用成為可能，同時，日漸突出的能源與環(huán)境問題促使研究學者加大了利用溫差發(fā)電回收利用低品位熱源方面的研究力度，這些研究領域主要有汽車尾氣利用、工業(yè)余熱廢熱發(fā)電、自然熱應用、MEMS系統(tǒng)或器件以及可穿戴設備等其它應用領域。KR1327732B1的專利中公開了一種車輛的熱電發(fā)電機，其安裝于車輛的排氣系統(tǒng)中，使用汽車廢氣的熱量來產(chǎn)生電力，其中，熱電模塊被設計為環(huán)形狀，當高溫廢氣經(jīng)過排氣管時，排氣管通過與廢氣的熱交換過程而被加熱，并將熱量傳導到排氣管外圍設置的環(huán)形狀熱電模塊的熱端，同時，熱電模塊的冷端設置有冷卻劑管，從而在冷、熱端之間形成溫差而發(fā)電；CN204068767A公開了一種穿戴式溫差發(fā)電裝置，其在衣物的夾層中設置安裝帶，各安裝帶相互平行縫制于衣物的夾層中，安裝帶上固定有防水封裝帶，每個防水封裝帶中均密封安裝有溫差發(fā)電組，各溫差發(fā)電組依次串聯(lián)后通過導線連接充電單元。該發(fā)電裝置以日常穿著為載體，利用人體散發(fā)的熱能這一新型、綠色、環(huán)保能源發(fā)電，因此可隨時隨地發(fā)電，且清洗時無需拆卸溫差發(fā)電組，使用方便、體積小、重量輕，發(fā)電效果好。

4 未來趨勢預測

目前，基于半導體溫差發(fā)電的關鍵技術已經(jīng)日趨完善，關于熱電材料性能提升、冷端和熱端溫差維持、應用領域這三個分支的核心技術已經(jīng)成熟。盡管溫差發(fā)電的效率仍然還普遍較低，但隨著新型高性能熱電材料以及性能可靠的溫差發(fā)電器的研究與開發(fā)，溫差發(fā)電技術將會更大地發(fā)揮其在低品位能源利用方面的優(yōu)勢。未來主要發(fā)展方向多為進一步提高發(fā)電效率、提高裝置的可靠性以及降低成本等。因此，未來發(fā)展趨勢預測將有以下三點：

（1）新型熱電材料。溫差發(fā)電效率較低的問題還是需要首先從熱電材料的性能提升上來突破。而摻雜、低維化、超晶格結(jié)構(gòu)、準晶體結(jié)構(gòu)以及納米技術等均能有效提高熱電優(yōu)值，因而將會繼續(xù)成為研究方向。

（2）可靠性研究。溫差發(fā)電技術在各領域的應用都日益廣泛，如何更加有效、可靠地滿足長期供能需求，降低環(huán)境因素影響，以及尋求更加穩(wěn)定的熱源和冷源，將是溫差發(fā)電技術中需要解決的問題。

（3）復合型能量采集技術。隨著機械振動摩擦發(fā)電、壓電發(fā)電，電磁感應發(fā)電等領域的發(fā)展，復合型能量采集研究也將受到更多關注，但是目前復合型能量采集多以簡單疊加為主，如何在同一環(huán)境下實現(xiàn)多種發(fā)電模式之間的相互配合，提高能量利用效率，未來還需要進一步研究。

[1]趙建云,朱冬生．溫差發(fā)電技術的研究進展及現(xiàn)狀[J]．電源技術,2010,34(3)∶310-313．

[2]半導體溫差發(fā)電技術應用及研究綜述[J]．電源技術,2016,140(8)∶1737-1740．

[3]MASAHIDE M,MICHIO M,MASARU O．Thermoelectric generator utilizing automobile engine exhaust gas[J]．Thermal Science and Engineering,2001,9(2)∶17-18．