“扎耶德未来能源奖”终身成就奖得主、国家应对气候变化战略研究和国际合作中心原主任及研究员李俊峰近日在接受媒体采访时说：能源低碳化是一条艰难却必由之路。虽然这条路艰难，但仍有许多有社会责任感的企业在践行。广东雷子克热电工程技术有限公司（下文简称雷子克）就是其中之一。雷子克是专注于低温领域高效率的热转电利用材料及产品研发的企业，其自主研发高性能热电材料的热电优值ZT达到1.81（SPS工艺），普通热压烧结工艺ZT≥1.2，120℃时材料的有效负载输出效率≥16%；生产的半导体热电转换芯片，应用在聚光热电电场，可实现热能的阶梯利用。此外，半导体热电转换芯片适用于汽车、商业、工业、国防、太空和光子学领域、生物医学、石油、天然气和采矿、电信（光通讯）等领域，是行业节能减排的有效手段之一，在提供绿色清洁能源的同时也能给企业带来显著的经济效益。
雷子克的研发人员采用与现有主流槽式太阳能热发电不同的技术——半导体温差发电技术，在工厂附近建设了一个10kW槽式聚光热电电场试验回路，以期通过直接的热能转化为电能，实现节能减排来提供清洁能源。
一、10kW 槽式聚光热电电场设计探讨
1、设计原则
经济合理：除发电就地消纳外，还提供热水与蒸汽，满足工厂食堂、宿舍等的热能需求。
运行安全可靠：太阳辐射自动跟踪系统和管道安全系统不间断电源。
技术创新先进：发电方式为半导体温差发电。
符合国家标准与规范：蒸汽工作压力≤1.0MPa （设计压力＞2MPa）系统设计符合主要包括环保、建筑、机械、电力等方面国家安全规范要求。
传热介质是水。
节能环保：占地地表恢复绿化。
2、厂址选择、太阳能资源、气象参数
图：根据《太阳能资源评估方法QX/T 89-2008》气象标准：为资源丰富区
3、总体设计、规划布局
雷子克的槽式聚光热电电场总的设计功率是10kW，是根据总的输入功率，太阳总辐照度，系统的聚光，包括传热、储能，考虑到传递过程，阶梯的论证，应用到半导体发电过程总的热量有40kW，经过半导体转化以后，系统的发电量输出值为10kW；发电效率达到9%；设计的年发电量为2.05万度。
聚光方式采用的是比较成熟的槽式聚光。传热介质我们选择了类似纳米流体的液体，这种介质对小功率的发电系统更有利，更有利于整个发电过程、发电状态的实现。发电机是采用雷子克自主研发的半导体发电机，从热能转化成电能的状态。冷却方式采用的是相变冷却，我们是把多台的半导体发动机的热量全部吸收转化成电能，散热方式不同于大型光热电站的设备。
电场总聚光面积约为220平方米，通过理论的计算，聚光占地面积能达到550平方米；聚光场的发电机采用了多台阶梯利用的方式。因为是10kW的发电设备，我们暂时没有考虑储热。如果后续要做更大规模，比如100kW或者500kW以上，会考虑储热的功能。储热系统会根据当前的发电量，包括热电转化情况进行对应的储热计算。
图：10kW热电场设计点的能量平衡
4、聚光吸热系统
热电系统采用了传统的槽式聚光系统，聚光器结构图如下图所示：
图：聚光器结构图
我们选择的是聚焦1.71米的聚光器， 3个集热器单元；选用的吸热管是市场上比较成熟的产品，管长是4.06米，直径是70毫米。聚光系统设计主要参数如下所示：
工作介质采用了导热油，吸热管材质是316L不锈钢，吸热管厚度为2mm。采用吸气剂吸收渗出氢气。
5、储热系统
10kW的热电场设计中并未考虑储热系统。
适合半导体发电电场建设的100kW以上的系统，可以带储能系统，这样有利于熔盐补偿，包括可持续发电。如果是100kW以上的系统，我们会采用常规的不锈钢保温，根据热量的储存情况会考虑一下罐的大小，包括储存时间，有利于消除输出电力的波动性问题。
图：带储热的热电场热力系统图（使用双罐不锈钢罐体，外加保温材料）
6、发电、电气、系统控制
二、半导体发电热能阶梯利用
图：半导体温差发电机
上图左边是半导体发电机，是雷子克自主研发的，平均的单片的发电量大约10W左右。采用半导体发电，对国内外企业来说是新型的东西，我们是基于半导体的面积，在电场发电过程中通过提高效率，通过热能的多阶梯利用，实现热能的最大有效输出。上图中右侧图为我们公司研发的一个样品图，通过一个金属板，中间是4块发电片，形成板块结构，有点类似板式换热器。
相对于常规发电，雷子克研发的半导体温差发电机体积小，结构紧凑，重量轻，占用空间小；易维护，不易结垢，安装清洗方便；半导体片与传统板式换热器整合，具有较高的发电性能；发电量可根据板片的数量来调整，易于控制成本与收益；用于密集的废热发电，性能优越，使用寿命长。发电效率也会达到10%左右。同时它的价格会便宜很多，并且成本有利于降低投资。
图：雷子克发电机与常规发电机性能比较
图：槽式梯级发电与常规槽式发电的流程对比
图：利用汽轮机的前级低压蒸汽，引入半导体温差发电机二次发电
现有的槽式热发电系统是指利用槽型抛物面反射镜将太阳光聚焦到集热器对传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电的系统。汽轮机的发电对热蒸汽的温度压力要求较高，较低压力的蒸汽无法推动汽轮机会造成能源的浪费。
根据现有槽式热发电系统的汽轮机热力系统，在保持现有的集热发电系统稳定的前提下增加半导体板式发电机（多级串并连）对低温低压（蒸汽、水）进行再发电，特别是废弃余热通过板式温差发电机直接变为电能，能有效提高槽式热发电系统的整体能源利用率、提高系统的发电量总量，同时还能实现节能环保。
在原有的聚光发电系统上，通过增加多台半导体温差发电机，以及连接管件及管路，整个太阳能热发电系统能够实现热能的阶梯利用，直接输出电能，且发电量预计提升5%左右；同时投入的成本相对比较低一点，因此可通过电能的输出跟热能的利用实现资源的最大化。
