温差发电--一种新型绿色能源技术

第一篇：温差发电--一种新型绿色能源技术

温差发电——一种新型绿色的能源技术

班级：材料0901 姓名：刘猛学号：25

【摘要】：温差发电器是能将热能直接转化成电能的固态装置，具有结构简单、稳定可靠、无运动部件、绿色环保等优点，广泛地应用于航天、军事等领域，在废热的回收利用方面也展现出良好的应用前景。本文简要地介绍了温差发电器的工作原理及其结构，介绍了体温差发电器和微型温差发电器的国内外研究进展，并进行了对比分析，提出了温差发电器中存在的问题及解决方案，最后展望了温差发电器的前景。

【关键词】： 塞贝克效应;温差发电

THERMOELECTRIC ELECTRICITY GENERATION ——A NEW GREEN ENERGY TECHNIQUE 【Abstract】：Thermoelectric generators are solid state devices which can directly convert thermal energy to electricity andhave advantages of simple structure, reliability, no moving parts and being friendly to the environment.They are widely used in aerospace、military fields, and have broad prospects in application of recovery of industrial waste heat.This paperbriefly provided the structure of thermoelectric generators and the work principles.Recent developments about thermoelectric generators were given and a comparison between bulk thermoelectric generators and micro thermoelectricgenerators was made.Problems of thermoelectric generators and the solutions were discussed.The prospects of thermoelectric devices were finally given.【Key Word】s： thermoelectricity;Seebeck effect 0引言

热能和电能是我们社会生活中最重要的能源形态，其中电能是各种形态能源中传输和使用最多、最为方便的一种。因此，许多能源形态、如太阳能、地热、风能、潮汐能、化学能等等都在其转变为电能之后才能更好、更为方便地被人们广为利用。目前使用的电能有很大一部分是由热能转换而来的，如热电厂、核电厂以及较大规模的太阳能电厂等。在这种能量转换中总是先利用热能加热液体或蒸汽，以驱动汽轮机发电。这个过程复杂、设备昂贵、易出问题、污染环境、能量转换效率低，造成能源浪费。因此关于高效，又不污染环境的能源转换方法的研究必然引起了世界各国科学工作者的广泛关从20 世纪90 年代以来，能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪声、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料［１］ 1温差发电 1.1热电效应

1821 年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属（或半导体）所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）”。材料a、b两端节点存在小温差AT．便会产生Scebeck电势△v，.Seebeck电压与热冷两端的温度差△T成正比, 即

△v = Ｓab△T = Ｓab(T 2-T 1)其中Ｓab是塞贝克参数, 其单位是V/ K(或更常用的单位LV/ K)当△r-0时，可写成：

Ｓab=dV／dT Sab称为Seebeek系数，符号取决于组成热偶的材料本身及节点的温度，大小取决于两节点的温度和组成的材料。［2］ 1.2温差发电的原理

在P 型(N 型)半导体中, 由于热激发作用较强, 高温端的空穴(电子)浓度比低温端大, 在这种浓度梯度的驱动下, 空穴(电子)由于热扩散作用, 会从高温端向低温端扩散, 从而形成一种电势差, 这就是塞贝克(Seebeck)效应.如图所示将P 型和N 半导体的热端相连, 则在冷端可得到一个电压, 这样一个PN结就可以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转换成电能, 将很 多个这样的PN 串可得到足够高的电压, 成为一个温差发电机, 很显然这样温 差发电机完全没有转动部分, 因此非常可靠。

温差发电是在塞贝克效应的基础上发展起来的，塞贝克效应是由于导体的温度差而产生电现象。温差电组件的转换效率决定于热电优值系数

式中：σ是电导率，k 是热导率，S 是塞贝克系数，塞贝克系数是指温差电材料上单位温度梯度所产生的电动势。优值系数Z 以K－1 为单位，因此，经常使用的是无纲量优值系数ZT，而不是Z。［3］

1.3温差发电的研究进展

尽管温差发电由于材料成本昂贵等因素的制约未能在工业上大面积采用, 但在军事与航天应用、远离城市的边远地区, 以及海上作业平台等特殊场合还是受到了人们的高度重视, 目前已成功开发出不少产品, 其中部分产品已商品化.(1)军用发电机

早在80 年代初, 美国就完成了军用500～1000W 温差发电机的研制, 80年代末就已正式列入部队装备.美国海军是海洋用放射性同位素温差发电器的最大用户, 其设计工作深度达10km, 功率不小于1W, 寿命长达10 年, 放在深海中给无线电信号转发机系统供电, 该系统作为美国导弹定位系统网络的一个组成部分, 也可用于光纤电缆.1976 年发射的美国空军通信卫星采用了温差发电器.（2汽车尾气发电机

日本开发了利用小汽车尾气废气发电的小型温差发电机, 功率为100W, 可节省燃油5% , 美国宣布试制出了用于大货车柴油发动机尾气系统的温差电机, 最大功率输出达1000W.。美国的艾维戴尔公司研发了回收利用汽车发动机废热的温差发电器，它包括35个热电模块，采用分段温差电材料，Bi2Te3用于低温范围，PbTe、TAGS、ZnSb3用于中温范围，CeFe4Sb12、CoSb3用于高温范围，工作温度范围为423K~973 K。利用废热与冷却剂的温差进行发电，当温差为400 K,发电功率为750 W（3）海洋温差能的利用

地球表面积的70%是海洋, 而海洋是巨大的能源库。太阳注入地球表面的能量换算为电功率约为1 013 kW,其中约2 /3用于加热海面表层海水, 其与深水的温差超过20 以上。全世界海洋温差能的理论估计储量为100亿千瓦, 所以海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力的海洋能资源。日本通产省工业技术院阳光计划中, 由低温差发电委员会对发电功率10万千瓦级的海上浮体式发电站作了计划, 该发电站朗肯循环效率为3.44%, 净效率为2.04%。秘鲁海水温差发电站是日本阳光计划的一部分, 它采用的工质不是氨, 而是氟利昂HCFC22。20世纪80年代以来, 日本开发了kW、75 kW、100 kW 等容量不同的发电设备, 1996年还验证了采用NH3 /水的混合工质循环试验设备, 以及设置在海洋水面上的发电设备。该电站建在岸上, 最大发电量为120 kW, 获得31.5 kW 的净出力［4］（4）工业废的再利用

工业生产过程中产生的余热数量相当可观, 如气轮机, 内燃机等热机燃料所产生的能量50% 左右通过排烟扩散到了大气中, 钢铁、水泥以及纺织工业等在生产过程中也有大量余热没有充分利用, 研究表明采用温差发电技术可以有效利用余热中10%~ 20%的能量。对内燃机电站废气进行温差发电的研究表明, 对于一个10 MW 的机组, 如果排气温度为370 e , 烟气流量6 万m3 / h, 采用温差发电扣除掉维持系统自身远行的冷却水泵消耗功率后可以得到160 kW 的功率, 转换效率为3.88%日本的工业研究所研发出利用工业废热的温差发电器[11]，由串联的热电模块组成，安装在工业熔炉内凉水夹套的表面，热端涂有SiC膜，接收熔炉保温层的辐射热，冷端被凉水冷却。当工业熔炉产生的热量为200 kW,温差发电器的热电转换效率7.5%，发电量可达4 kW，可用于驱动真空泵和控制仪表［5］ 2提高温差发电效率的途径

提高温差电转换效率的关键是提高ZT。半导体温差电材料的热导率与电子热导率和晶格热导率有关，而且多半取决于晶格热导率。降低晶格热导率不会引起电导率的大幅下降。提高热电材料的塞贝克系数和降低热导率可以提高温差电材料优值系数。除材料外，温差发电器的性能还决定于其组件结构的优化设计（1）掺杂半导体提高塞贝克系数

俄亥俄州的科学家、加州理工学院和大阪大学联合研究通过加入掺杂物控制热电材料的电子态。PbTe是热电领域被广泛研究的材料，与其他半导体一样，它容易和元素周期表中相邻的元素掺杂。试验表明，掺杂铊是控制PbTe电子态的最佳选择。铊的加入，使处于室温下的电子通过热激发达到更高的能带之前，在价带上产生了另一个能量级———共振级价带上可用电子态的增加来提高赛贝克系数。结果表明，Ti-PbTe的ZT 值提高到1.5，将原来0.71 的ZT 值提高了两倍多，达到目前PbTe合金材料的最佳水平。需要说明的是这种方法没有运用调整结构降低热导率的方法，电子态控制和结构控制不是相互排斥的，可以结合在一起更大程度地提高ZT 值［6］。（2）降低热电材料的热导率

实验表明，温差材料导热系数增加, 温差电元件两端的温差减小, 发电器温差电动势和输出功率下降, 其转换效率随之降低;但由于材料的性质和力学原因，热导率的降低程度会受到限制。因此这种途径不是发展的主流途径（3）改变材料结构提高热点性能

通过纳米技术在热电材料中掺入纳米尺寸的杂质相制备纳米复合结构热电材料杂质相可为绝缘体、半导体或是金属, 也可以为纳米尺寸的空洞), 通过调整或者控制掺入杂质的成份、结构和大小得到纳米级的新相, 达到提高热电材料ZT 值的目的。《自然》杂志报道出一种新型热电材料，ZT 值为2.4 的薄膜P 型Bi2Te3/Sb2Te3 半导体材料。通过改变半导体Bi2Te3和Sb2Te3 的层结构，使Bi2Te3/Sb2Te3半导体具有一种新的超晶格结构。通过控制超晶格中光子和电子的传输提高材料的性能。薄膜材料的研究进展在于满足了小体积的需要。Hi-Z技术是使用先进的薄膜量子阱热电技术，这种材料比Bi2Te3热电材料性能更好，设计体积也可大大减［7］

除了材料外，制造工艺、组件结构的优化设计都会影响温差发电器的转换效率。有研究表明，提高热电组件的输出功率可以通过调整温差电元件长度实现。热电组件最大输出功率被定义为当组件电阻与负载电阻匹配时产生的最大输出功率。热电组件的转换效率

不同是因为组件热面需要准确地确定热输入。提高组件的转换效率可以通过增加温差和增加温差电元件长度来实现。温差电元件长度通常与最大输出功率和最大转换效率有关调整热源、散热器和热交换也能影响热电转换效率。影响转换效率的关键参数有很多，有研究人员认为接触热源的表面面积，器件的温度梯度，温差发电器和热源之间的热导率都是重要因素［8］ 3温差发电的前景展望

我国的能源十分短缺，能源的利用率较低，节能降耗是进行可持续稳定发展的必由之路。目前，各种工业余热、汽车废热等仍没有得到有效利用，迫切需要新型能源利用技术以节约能源和提高效率。温差发电是一种新型的发电方式, 具有清洁, 无噪音污染和有害物质排放, 高效, 寿命长, 坚固, 可靠性高, 稳定等一系列优点, 符合绿色环保要求, 对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义.参考文献

［１］任红轩《热电材料在能源中的应用》

［２］胡放戚学贵王学生任超代晶晶《冷能温差发电技术及材料研究进展》5化工装备技术6 第30卷第6期2009年

［３］何元金陈 宏 陈默轩《温差发电——一种新型绿色的能源技术》工科物理 Vol.10 No.2 2000 ［４］封光钟爽《海洋温差发电的研究现状与展望》中图分类号: TK 01

文献标识码: A ［５］张腾, 张征《温差发电技术及其一些应用。》中图分类号: TM 913 文献标志码: B 文章编号: 1005-7439(2009)01-0035-05 ［６］武桂玲，郁济敏《温差发电器热电材料的研究进展》中图分类号: TM 913 文献标识码: A 文章编号：1002-087 X(2009)08-0740-02 ［７］贾阳任德鹏《温差发电器中热电材料物性的影响分析》中图分类号: TM 913 文献标识码: A 文章编号: 1002-087 X(2008)04-0252-05 ［８］史迅 席丽丽 杨炯 张文清陈立东《热电材料研究中的基础物理问题》

物理·４０卷（２０１１年）１１期

第二篇：海水温差发电商业计划书

海水温差发商业计划书

目录

1.2.3.4.5.6.7.8.9.项目的背景和意义 与国内外研究现状的比较 本海水温差发电技术特点 实现产业化的技术路线和措施 预期完成目标 项目实施对社会的效益 经济预算 经济预算举例 联系方式

1.项目的背景和意义

a)在大海中，真正最有力量的，并不是那些看起来气势汹汹的波涛，而是默默无声地

蕴藏在海水中的热能。同样面积的海洋要比陆地多吸收10％～20％的热量，海水的热容量比土层大两倍，比花岗岩大五倍，比空气大3100多倍，因此海洋成了地球上吸收太阳能的最大热库。

b)海水温差发电：利用表层温海水使工质蒸发，深层冷海水使工质冷凝的原理驱动涡

轮机，并带动发电机发电的作业。

c)海洋中蕴藏着丰富的太阳热能。太阳每年供应给海洋的热能大约有６０0多万亿千

瓦时，如此巨大的能量，除了一部分转变为海流的动能和水汽的循环外，其余都直接以热能的形式储存在海水中，主要表现为海水表层和深层直接的温差。通常情况下，海水表层的温度可达２５－２８℃，而海平面以下５００米的深处水温大约只有４－７℃，两者相差２０℃左右，热带海洋的温差更为明显。

d)目前，海洋温差发电的能源变换效率只有3%_5%，比火力发电的40%低得多，但

它的优点也是不言而喻的：绿色、环保、可再生、取之不尽，用之不竭。

e)绝对温差20℃，效率3%计算，一升海水含有的净有用能量为20×3%×4.18×

1000=2.5kJ，即每秒抽取1升热海水，可以产生2.5kw的发电功率，如每秒抽取1立方米的热海水，则可以发出2500kw的功率，而且是连续可以发电，并在发电的同时，生产的淡水是24kg/kwh,即2500kw的发电功率，每小时可以同时生产60吨淡水，能源和淡水是海岛最稀缺的资源

f)日本、法国、比利时等国已经建成一些海水温差发电站，功率从100千瓦至10000

千瓦不等。

2.海水温差发电的国内外研究现状的比较

经过科学家们的多年研究，1926年11月15日，在实验室里首次研究成功海洋的温差发电。海洋温差发电的基本原理是利用太阳辐射的热量进入海面以下1米处，就有60％～68％被海水吸收掉了，而几米以下的热量已所剩无几了，即使海面上有波浪搅动，水温有所调节，但水深200米处，几乎没有热量传到。海洋温差发电就是将海洋表面的温水引进真空锅炉，这时因压力突然大幅度下降，温度不高的温水也立即变成蒸汽。例如，在压力为0.031兆帕时，24℃的水也会沸腾。利用这种温度不高的蒸汽可以推动汽轮发电机发电，然后用深层的冷海水冷凝乏气，继续使用。

从理论上说，冷、热水的温差在16.6℃即可发电，但实际应用中一般都在20℃以上。凡南北纬度在20度以内的热带海洋都适合温差发电。例如，我国西沙群岛海域，在5月份测得水深30米以内的水温为30℃，而1000米深处便只有5℃，完全适合温差发电。

大海里蕴藏着巨大的热能，据估计只要把南北纬20度以内的热带海洋充分利用起来发电，水温降低1℃放出的热量就有600亿千瓦发电容量，全世界人口按60亿计算，每人也能分得10千瓦，前景是十分诱人的。

早在19世纪就有人提出过海水温差发电的设想，但世界上第一座试验性海水温差发电厂直到1979年8月才在美国夏威夷问世。这座电厂的发电能力为50千瓦，它设在一艘驳船上。同年8～12月作了试发电。这次发电成功表明，海水温差发电将很快具备商业价值。

海洋是全世界最大的太阳能收集器，6000万平方公里的热带海洋一天吸收的太阳辐射能，相当于2500亿桶石油的热能。如果将这些储热的1％转化成电力，也将相当于有140亿千瓦装机容量，为美国现今发电能力的20倍以上。

海洋热能发电有两种方式：第一种是将低沸点工质加热成蒸气；第二种是将温水直接送入真空室使之沸腾变成蒸汽。蒸汽用来推动汽轮发电机发电，最后从600～1000米深处抽冷水使蒸汽冷凝。第一种采取闭式循环，第二种采取开式循环。

海水温差发电，1930年在法国首次试验成功，只是当时发出的电能不如耗去的电力多，因而未能付诸实施。现在，许多国家都在进行海水温差发电研究。

实践证明，开式循环比闭式循环有更多的优点：①以温海水作工质，可避免氨或二氯二氟甲烷等有毒物质对海洋的污染；②开式循环系直接接触热交换器，价廉且效率高；③直接接触热交换器可采用塑料制造，在温海水中的抗腐蚀性高；④能产生副产品——蒸馏水。

开式循环也有缺点：产生的蒸汽密度低，汽轮机体积大；变成蒸汽的海水排回海洋后，会影响附近生物的生存环境。

海洋温差发电，是以非共沸介质（氟里昂-22与氟里昂-12的混合体）为媒质，输出功率是以前的1.1～1.2倍。一座75千瓦试验工厂的试运行证明，由于热交换器采用平板装置，所需抽水量很小，传动功率的消耗很少，其他配件费用也低，再加上用计算机控制，净电输出功率可达额定功率的70％。人们预计，利用海洋温差发电，如果能在一个世纪内实现，可成为新能源开发的新的出发点。

a.开式循环：开式循环要求海水的温差必须达到18℃以上。其方法是，抽取表层热海

水，在一定真空度下将高温海水蒸发成低压蒸汽介质用以推动涡轮机旋转，介质乏气以低温海水冷却液化。由于开式循环需要保持一定的真空度，蒸汽压力很低，压差极其微小，透平（涡轮机）的体积十分庞大，不仅热效率很低，系统耗能也十分巨大，即使能够实现正发电，发电成环保本也极高。

b.闭式循环：闭式循环使用低沸点液体物质，如液氯、丙烷、氟利昂等做为工作介质。

使用高温海水加热工作介质，使其受热蒸发为相对的高压蒸汽介质用以推动涡轮机旋转，介质乏气由低温海水冷却为低压介质蒸气，将低压蒸气介质加压冷却液化，从而进入下一个工作循环。由于采用了低沸点液体做为工作介质，闭式循环提高了工作介质的蒸气压力，缩小了透平的体积，工作效率得以大幅提高。但这种方法仍需大量抽取冷、热海水，特别是用于抽取冷海水的冷水管粗而且长，换热器的体积很大，占据了很大的空间，形成了难以攻克的技术难题，限制了发电系统的大型化。并且仅用于抽取冷、热海水的能耗就占到了发电总量的50%左右。发电成本仍然很高。

c.混合式：该方法采用开式循环的高温海水真空蒸发方案（闪蒸），利用低沸点液体使

海水蒸汽冷却液化，同时低沸点液体吸收水蒸气液化时放出的热量而受热蒸发为相对高压蒸气工作介质，后面的工作过程与闭式循环的工作程序相同。混合式海水温差发电方法只是多了一种海水淡化的副产品，丝毫没有解决闭式循环存在的技术难题。

d.“上原循环”：由日本左贺大学上原教授提出。采用氨和水的混合物做为工作介质。

3.本人的海水温差发电技术特点

a．采用混合式原理，但在设备局部制造中采取全新技术，解决了海水抽取中腐蚀性及高能耗难题、换热器体积庞大的问题，并在汽轮机上采取了全新技术，使机构效率更高，体积更小，制造成本及制造的技术难度降到最低。

b．每kw小时产生的淡水量：一般1公斤20℃温差热水冷却其中的10℃，会有41800焦耳的热量，需要蒸发水蒸气约17克，那每kw小时产生的淡水量为：

17×3600÷2.5＝24480克

即1kw功率的发电能力，一天可以同时生产587升淡水，约半吨多一点

4.实现产业化的技术路线和措施

a.先试制微型样品，进行技术鉴定，以便科技局立项，申批高科技新能源项目。b.生产发电功率小于100kw的小型机组，拓展市场。

c.准备大型机组的设计、生产、安装，海域条件选取等

5.预期完成目标

a．总体目标设计100kw-100000kw的系列海水温差发电机组，并成立专业安装调试工

程队，对机组选址，安装，调试。

b．第一年完成样品，科技立项，争取设计及验证100kw的小型机组，并拓展市场。c．第二年，完成100kw小型机组，及市场销售，小岛开发用机组及安装调试，争取上

万kw机组设计筹备

6.项目实施对社会的效益

a．利用海水温差发电，对于开发海洋资源具有重大意义，如它可以为开采海底石油和

多金属结核等的设备提供电力，并可以从海底开采上来的矿物就地冶炼，省去运输上的很多麻烦。利用海水温差发电的科学探索，为人类向海洋索取能源展示了美好的前景。

b．大规模应用海水温差发电，减少矿物燃料，保护环境，海水温差发电实际是利用太

阳能，源源不绝，海洋就是个天然集热器，不像陆地利用太阳能，需要集热器占用土地资源，应用海水温差发电，海洋将成为陆地的新能源库，而且是可再生并源源不绝。

c．海岛最缺的基础资源就是能源和淡水，没有能源和淡水的海岛，人类就无法在海岛

上长期生活，海水温差发电，可以让赤道附近的海岛拥有能源和淡水，对海岛的经济开发起着关键的作用。

d．抽上来的冷海水可以作为空调冷源。

7.经济预算

a．样品阶段，试制样品，初步估计需要5万，做出1kw以内的机组。

b．综合样机试验情况及政府科技立项的政策支持情况，拓展市场，按市场走向决定后

续资金的投资方向。

c．大功率海水温差发电站的投资成本约1万元/kw，比火电建设成本高1-3倍，运行费

用0.02元/kwh，燃料费用为0元，这些都比火电低，特别在保护矿物资源、保护环境方面的价值有无可比拟的优势。

d．海水温差发电设备规模生产后，每年建造销售机组1000MW，毛利润将达到20亿

元/年，每年税收10亿

e．目前，1千瓦光伏电站的成本达到8000元，与水电建设成本相当，火电每千瓦投资

为4000元，而核电投资为1330-2000美元，约合人民币为1.1万-1.65万人民币，两者相差高达2.75-4.1倍。另一个重要原因是核电建设周期相对较长，其建设周期一般为70个月(约6年)，如果控制不好，将达到80-90个月。与此相对，火电一般为30多个月。但核电存在后期报废核废料处理的问题及运行过程中的意外风险，该风险如日本福岛核电站危机，切尔诺贝利核电站事故等

8.经济预算举例

海水温差发电，理论上核算验证，MW级以上发电成本控制在0.2元/度，MW级以内的成本在0.40元/度以内，可以与火电竞争（火电入网价格在0.35-0.42元/度之间，风电入网价格在0.51-0.61元/度）能光伏入网价格在1元/度，海水温差发电站2.5MW的发电机组，每秒抽取1吨热海水和1吨冷海水，相当于1小时

3600×2吨的海水

提升高度为5米，消耗功率为

5×36×2×1000000牛÷3600秒÷1000＝100kw

取水泵最低效率为60%，则水泵消耗功率为

100kW÷60%＝167 kw

水泵消耗功率占电站发电比例（电站自身消耗功率比例）

167kw÷2.5MW＝6.68%

流速按2米/秒计算，管径需要0.8米，冷水管长800米。热水管长100米

水泵总排量为：2×3600立方米/小时，扬程5米

蒸发器热交换面积：7500平方米，需要直径10mm的铜管12000米，用铜重量9t 投资电站成本：不超过1万元/Kw，2.5MW投资成本2500万元

收益计算：

收入：

年发电时间按300天计算，发电量

2500kw×24小时×300天＝1800万度/年

按风电入网价格0.51元/度计算（海水温差发电实际是属于太阳能电源），电能销售收入

1800万度×0.51元/度＝918万/年

淡水：1kw功率的发电能力，一天可以同时生产587升淡水，年产淡水

2500kw×300天×0.578t＝43.35万t/年

按1元/t入网计算，水销售收入：

约43万

合计收入：961万元

支出：

设备维护费：3万

大修费：30万/年（储备金）

人工费：80万/10人

管理费：10万

折旧费：250万（按10年计算，设计寿命30年,折旧费相当于还本金额）资金利息：300万（按年利率12%，全额计算投资金额）

燃料费：0元

税收支出：太阳能项目，税收基本为零

不可预见费用：10万

合计支出：683万元

利润：278万

初期投产年收益率：11.12%

30年总收益为：278×30+250×20+300×25＝20840万元（不计收益利息）

以上计算，支出按最大费用计算，收入按风电入网计算，没有把国家对新能源投资补贴计算进去，这样就不管政策如何变动，收益计算值都不会受到影响。

目前需要种子投资，进行产品微型样品生产。

9.联系方式

邵再禹

***

浙江省台州市路桥区机场路536号

第三篇：温差发电片应力分析及一种改进措施详解

中国工程热物理学会

传热传质学 学术会议论文

编号：113167

温差发电片应力分析及一种改进措施

王银涛

1杨华峰1

刘伟1

范爱武1

杨金国1

李鹏2

（1 华中科技大学能源与动力工程学院，武汉 430074 2 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070）

(Tel：027-87542618 E-mail：w_liu@hust.edu.cn)

摘要：本文利用有限元分析软件ANSYS建立了温差电偶和整体温差发电片结构的模型，计算得到了温差电偶和整体结构在热负荷下的应力分布特点，并对针对其应力集中地部位进行了优化设计，减小了应力集中的程度，有助于提高温差发电片的可靠性和使用寿命。关键词：半导体；温差发电；热应力；可靠性。

0 前言

温差发电器是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。温差发电器是一种静态的固体器件，没有转动部件，它体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护。因此在航天和军事领域有着广泛的应用背景[1]。随着石化能源的枯竭，美国、日本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，利用太阳能、地热能、工业余热废热等低品位能源转化成电能。国内也有针对太阳能和汽车尾气余热进行发电的研究，取得了很大的进展。

温差电组件要达到较高的发电效率，通常要求发电组件冷热端之间形成较大温差，这将造成冷端连接片收缩或热端连接片膨胀，从而产生机械应力。机械应力的存在使得刚性的接头或P、N电臂很容易断裂，最终可能导致温差电偶的损坏，降低了整个发电器件的可靠性，缩短了温差电组件的使用寿命[2]。因为热而导致材料的形变和热膨胀失配，进而产生的热力耦合可靠性问题居各种可靠性问题之首。文献[3-6]对温差电偶以及温差发电片的热应力进行了研究分析。本文对常见的温差发电片运用ANSYS软件进行了数值计算，对其中的应力分布进行了讨论，并针对应力集中地地方进行了优化，得出的结论对温差发电片的优化设计有重要的指导意义。

1数学物理模型

1.1温差发电原理

温差发电的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。最简单的热电单元为温差电偶，如图1所示。将一个P型温差电元件和一个N型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别用电极连接，就构成一个温差电偶，也称温差电单偶。在温差电偶开路端接入电阻负载，如果温差电偶的热面流入热流，在温差电偶热端和冷端之间建立了温差，则将会有电流流经电路，从而得到了热能直接转换为电能的发电器。

图1温差发电基本原理

若热端温度为Th，冷端温度为Tc，内阻为R，外界负载为RL，温差电系数为温差电偶产生的温差电系数为NPNP，其中N、P分别为N极电偶和P极电偶的塞贝克系数，则温差电偶产生的温差电势为：

UNP(ThTc)

（1）

产生的电流为：

I输出功率为：

(ThTc)U

（2）NPRRLRRLPIRL1.2 ANSYS建模

2NP2(ThTc)2(RRL)2RL

（3）

本文对目前应用最为广泛的三明治式温差发电片，分别针对其内部温差电偶和整体温差发电片，在一定的简化条件下建立了模型，用ANSYS软件进行了热—电—结构综合计算，并主要针对热应力进行分析和讨论。温差电偶由连接铜片、焊料层、镍层和P型、N型材料组成，如图2所示。整体热电片由32对温差电偶在陶瓷基板上串联组成，不考虑内部温差电偶之间的填充物，如图3所示。对所有材料，均假设为各向同性，不考虑材料参数随温度变化的影响，取常温下材料参数，见表1。

表1 材料物性

材料/单位 陶瓷 铜连接片 镍 焊料 P型材料 N型材料

杨氏模量 Gpa 310 117 201 83 41.8 41.8

泊松比

0.21 0.3 0.3 0.31 0.3 0.3

热膨胀系数 10-6 m/K 7.2 17.1 13.7 12 14.4 14.4

热导率 w/(m·K)17 390 90.5 30 3 3

电阻率 Ohm·m NA 1.7×10-8 6.84×10-6 1.64×10-8 1×10-5 1×10-5

Seeback数 V/K

NA NA NA NA-0.00021 0.00021

图2 温差电偶模型

图3 温差发电片模型

2数值计算结果及分析

2.1温差电偶计算结果及分析

在温差电偶中，P型和N型材料均为边长为2mm的正方体，上面覆盖的焊料层和镍层厚度为75μm，铜连接片厚度为0.3mm。为对比P型和N型材料截面形状对热应力的影响，计算了与正方形截面积相等圆柱形温差电偶模型。两者都在热端温度为327℃，冷端温度为27℃，负载为1Ω时求解温差电偶的热应力。

图4所示为电偶中温度分布。图5所示为电偶中整体的Von mises（范米塞斯）等效应力，在正方形截面电偶中，P型、N型材料以及焊料层和镍层的四角出现了应力集中，最大应力发生在铜连接片和焊料层接触面；在圆形截面电偶中，应力分布较为均匀。图7为将铜连接片移除后观察焊料层最大应力出现层面的应力分布，对于外侧（将P型、N型材料相对的面称为内侧），在焊料层P型、N型材料相对的内侧应力更为集中，且更大；正方形截面的电偶有相连成应力带的趋势，圆形截面电偶的内侧已经形成了一条应力带，且在方形截面和圆形截面下。分析其原因为，相对于其他接触层，铜连接片和焊料的热膨胀系数之差最大，且热端温度较高，所以在热端焊料层出现了最大应力；相对于焊料层外侧边缘，由于内侧边缘受到上面铜连接片热膨胀更多的影响，因而比外侧边缘的应力更为集中。在实际应用中，无论是温差发电片还是温差制冷片，发生较多的失效形式就是焊料与铜连接片（导电片）的脱离，这一现象与计算结果是一致的。计算结果中，两种截面形状的温差电偶的输出功率基本相同。其最大应力值也基本相同，都在0.24GPa左右，这一计算值虽然远大于铜和焊料的屈服极强度，文献[4]指出，在实际中，焊料的塑性变形可以减小铜连接片和焊料之间的热应力。

在输出功率上，两种截面形状的电偶在1Ω负载下，输出功率均为0.152W。因此，从模拟的结果看，温差电偶的截面形状，对电偶的热应力分布有较大影响，对最大应力值和输出功率影响较小。

图4 温差电偶温度分布

图5 温差电偶Von mises等效应力

图6 温差电偶Von mises等效应力局部放大图

图7 焊料层表面应力分布

2.2温差发电片整体计算结果及分析

用以上温差电偶为单元，建立了由32对电偶串联组成的25mm×25mm规格的温差发电片模型。在热端温度为327℃，冷端温度为27℃，负载为1Ω时求解温差发电片的热应力。图8所示为温差发电片中温度场分布。图9所示为温差发电片中整体的Von mises（范米塞斯）等效应力图，在热应力的作用下，在陶瓷基板表面形成了不规则的应力带，且主要集中在有温差电偶的部位。图10和图11为最大应力面，即铜连接片上表面，应力分布和局部放大，在有陶瓷基板作用的情况下，最大应力出现在铜连接片的上表面，在铜连接片的四角出现了应力集中。铜连接片上表面的最大应力值达到了1.55GPa，而温差电偶单元内部，铜连接片和焊料层上的应力受到铜连接片上表面应力的影响，较之前有一定程度的增加。

图8 温度场分布

图9 应力场分布

图10 铜连接片上表面应力分布

图11 铜连接片上表面应力分布局部放大 在整体温差发电片中最大热应力出现在铜连接片上表面，且较 温差电偶中的热应力更大，其原因为，在高温端，陶瓷基板和铜连接片的热膨胀系数相差最大。其热应力集中在铜连接片的四角，结合之前温差电偶的应力结果，可以得出一些结论：（1）最大热应力出现在热端热膨胀系数相差最大的面上；（2）在最大应力出现的面上，小尺寸结构受到大尺寸结构外部覆盖并延伸（如温差电偶焊料层在内侧受到铜连接片延伸的影响）时，较没有受到覆盖外部延伸影响的部位应力更大。针对铜连接片的改进措施

热应力的存在和集中会极大的影响温差发电片的可靠性和寿命，因此必须采取措施对应力集中的地方进行优化设计。在实际生产中，多采用过渡层来减小热膨胀系数不匹配造成的应力集中。从数值计算的结果看，可能造成破坏的热应力主要集中在热端的铜连接片上，而相对于其他材料和结构，铜连接片具有更好的加工性能，因此本文又针对铜连接片上的应力分布特点，将原来长方形的铜连接片以相同的厚度替换为三种形式，进行应力分析计算，其截面形状如图12所示，厚度仍为0.3mm。

图12 三种截面形状的铜连接片

以以上结构的铜连接片建立温差发电片整体模型，进行热-电-结构整体耦合计算。高温端仍为327℃，低温端仍为27℃。图13-15所示分别为第1、2、3种铜连接片结构下热应力计算结果，从左至右依次为整体热应力、热端内部热应力及热端内部热应力局部放大图。

图13 第1种铜连接片结构下应力分布

图14第2种铜连接片结构下应力分布

图15 第3种铜连接片结构下应力分布

将以上三种铜连接片及未改进前的铜连接片结构下的部分计算结果列于表2，从计算结果看，铜连接片形状的变化对温差发电片的输出功率影响很小，但是改进后的三种连接片结构均使得最大热应力减小，其中第2种结构最大热应力值最小。在改进后的三种连接片结构中，最大热应力仍然出现在陶瓷基板和铜连接片的接触面上。由于改进后的铜连接片外侧为半圆形，使得焊料层外侧拐角处的应力集中现象得以改善。

表2 不同铜连接片结构下计算结果

截面形状 最大热应力GPa 输出电压（1Ω负载）V

2.69 2.65 2.67 2.66

输出功率（1Ω负载）W

7.23 7.04 7.12 7.08 长方形连接片 1.55 连接片1 连接片2 连接片3 1.12 0.96 1.02 对比第1、2、3种连接片结构下，热端铜连接片附近的应力分布，可以发现，第1和第3种结构下，虽然在连接片的上表面上热应力有很大的减小，但是在其中部和焊料层接触的地方出现了应力集中，而且热应力的大小比原来长方形结构相同部位的应力值更大；第2种结构较长方形连接片最大热应力减小了38%，大大减小了铜连接片和陶瓷基板之间的热应力，同时外侧的半圆形结构也缓和了焊料层外侧的应力集中。因此，相比之下，第2种铜连接片能更好的降低温差发电片的热应力，进而提高其工作可靠性和寿命。结 论

本文重点对温差发电片内部温差电偶和温差发电片整体，在热负荷下产生的热应力进行了数值模拟，对不同温差电偶截面形状对热应力的影响进行了数值模拟。对温差电偶内部的热应力进行了分析；对整体温差发电片的热应力分布特点进行了分析。针对其应力分布特点，设计了三种有代表性的结构对铜连接片进行优化。以后优化设计温差电偶以及温差发电片的整体结构，减小、均匀化热应力，提高其可靠性提供了参考依据。

从本文的模拟结果中可以看出，最大热应力出现在温差发电片热端热膨胀系数差距最大的接触面上，在常见的方形截面电偶上，容易在截面的四角形成应力集中，在焊料层的内侧容易形成应力带，对器件形成更大的破坏。对铜连接片的改进计算结果表明，将连接片外侧设计为半圆形能很大程度的改善陶瓷基板和连接片之间的热应力；计算结果对于连接片中部的设计改善也有很大参考价值。参考文献

[1] 任德鹏, 贾阳, 刘强.温差电源的整体热电耦合计算.清华大学学报(自然科学版)，2008, 48(8): 1372—1376 [2] 赵建云,朱冬生,周泽广,王长宏,陈宏.温差发电技术的研究进展及现状.电源技术，2010, 34(3): 310—313 [3] 张建中.温差电制冷器的可靠性.电源技术,1995,06(10): 39—44.[4] Y.Hori, D.Kusano.Analysis on thermo-mechanical stress of thermoelectric module.Thermoelectrics, 1999.Eighteenth International Conference.1999: 328-331 [5] Meijia Huang.Thermal and Thermal Stress Analysis of a Thin-Film Thermoelectric Cooler Under the Influence of the Thomson Effect.Thermoelectrics, 2005.ICT 2005.24th International Conference.2005: 295-298 [6] Sheng-Liang Li.Thermo-mechanical Analysis of Thermoelectric Modules.Microsystems Packaging Assembly and Circuits Technology Conference(IMPACT), 2010 5th International Conference.2010: 1-4

第四篇：关于温差发电演示实验的感想

关于温差发电演示实验的感想

关于上周的大物实验课，课上指导老师给我们做了很多有趣的演示实验，其中不乏既实用又新颖的一些物理相关设备的演示。各式各样引人注目的物理实验中令人印象最深的是对温差发电的演示。简单的实验设备很好的诠释了温差发电的原理，风扇的转动和灯泡的亮光散发着电的光芒。

从实验室归来后，我主动翻阅有关温差发电的资料，试着想更深层次的了解一下温差发电技术的内容。从查询的资料看来，温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术，其主要组件包括蒸发器、冷凝器、涡轮机以及工作流体泵． 通过高温热源加热蒸发器内的工作流体并使其蒸发，蒸发后的工作流体在涡轮机内绝热膨胀，推动涡轮机的叶片而达到发电的目的，发电后的工作流体被导入冷凝器，并将其热量传给低温热源，因而冷却并再恢复成液体，然后经循环泵送入蒸发器，形成一个循环。巧妙的原理有效的利用了能源，清洁环保的发电思路很是新颖，却又是最符合自然规律的一种体现。

关于温差发电，在实际生活中却不仅仅是一种空想。我翻阅着历史上各种关于温差发电的事迹，发现早在1881年9月，巴黎生物物理学家德·阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。1926年11月，法国科学院建立了一个实验温差发电站，证实了阿松瓦尔的设想。1930年，阿松瓦尔的学生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水温差发电站。1961年法国在西非海岸建成两座3500千瓦的海水温差发电站。美国和瑞典于1979年在夏威夷群岛上共同建成装机容量为1000千瓦的海水温差发电站，美国还计划在21世纪初建成一座100万千瓦的海水温差发电装置，以及利用墨西哥湾暖流的热能在东部沿海建立500座海洋热能发电站，发电能力达2亿千瓦。很多对温差发电的尝试的成功例子，是对物理来源于生活又贡献于生活的最好诠释。

另一方面，温差发电在生活中主要应用于海水温差发电，从查阅的资料里我发现关于海水温差发电不仅效率高，来源广，还环保，对资源进行了有效的利用。首先，从海水温差发电的来源看，辽阔的海洋是一个巨大的“储热库”，它能大量地吸收辐射的太阳能，所得到的能量达60万亿千瓦左右。海洋中上下层水温度的差异，蕴藏着一定的能量，叫做海水温差能，或称海洋热能。利用海水温差发电，这样是对海洋资源的一个极好利用。不仅是对海洋资源的利用，用海水温差发电，还可以得到副产品——淡水，所以说它还具有海水淡化功能。一座10万千瓦的海水温差发电站，每天可产生378立方米的淡水，可以用来解决工业用水和饮用水的需要。第三点是，由于电站抽取的深层冷海水 中含有丰富的营养盐类，因而发电站周围就会成为浮游生物和鱼类群集的场所，可以增加近海捕鱼量。

由此，在我看来，温差发电在实际中的应用是广泛而且具有很多各方面值得利用的价值的。不仅是对大自然宝贵资源的利用，更是创造了珍贵的新能源，据计算，从南纬20度到北纬20度的区间海洋洋面，只要把其中一半用来发电，海水水温仅平均下降1℃，就能获得600亿千瓦的电能，相当于目前全世界所产生的全部电能。专家们估计，单在美国的东部海岸由墨西哥湾流出的暖流中，就可获得美国在1980年需用电量的75倍。因此，这样看来，温差发电给我们带来的收益是巨大的。对温差发电在实际生活中的应用，只是我从一个简单的演示实验引发的感想。我所想到的，从温差发电的原理出发，到温差发电的具体概念，及其在生活中的具体应用，及经济价值。其实，我认为除了单纯的利用温差发电做发电厂等等，也可以与其他领域覆盖。比如，在热电厂中，可以利用废热所产生的温差进行发电；或者在有地热的寒冷地区，利用地热以及外界寒冷的环境进行温差发电；另外，有小型连续加热单位，如化工厂、炼钢厂等，可以利用余热进行温差发电。温差发电在生活中可以处处利用，只要应用得当，我认为将会为人类的生存减少很多能源的浪费。这也是说，其实温差发电除了应用于大型的发电站，也可以制作成效的模型，广泛应用于生活中，利用一切不必要浪费的能源。温差发电具有简单的原理，不繁杂的设备，不需要苛刻的外界条件，相信只要在技术上合理规划，是有广阔的前景的。

这只是从物理实验引发的联想及感想，希望在以后的物理学习生活中能够越来越熟悉物理，体会物理的乐趣！

第五篇：论绿色贸易壁垒——一种新型的非关税壁垒措施

论绿色贸易壁垒——一种新型的非关税壁垒措施

摘要：欧美金融风暴后，贸易保护主义开始抬头。为保护国内企业利益，欧美国家政府加大贸易管制措施的力度，抵制外国产品的进口与竞争。由于关税和传统的非关税壁垒措施容易引发贸易争端而不便采用，世界各国开始探索并推行新型的更具隐蔽性的非关税壁垒措施。绿色贸易壁垒便是发达国家近年来采取的最为有效的非关税措施之一，而我国因此遭受的损失也十分巨大。纺织品、食品、机电产品等所有优势出口产品基本都遭遇到欧美的绿色贸易壁垒，其影响甚至已经超出反倾销带来的影响。本文将对绿色壁垒的具体措施进行分析，论述其成因与发展趋势，并在此基础上提出我国企业和政府的相应对策。

关键词：贸易保护 绿色壁垒 环保要求

一、绿色贸易壁垒的概念

贸易自由化是当今国际贸易发展的主流,但在现实的国际贸易中,基于本国利益的考虑,世界上大多数国家对对外贸易活动会采取贸易管制措施,这些干预性的贸易管制措施基本可分为关税措施与非关税措施两大类。随着关税措施的实施空间不断降低,非关税措施逐渐成为各国实施贸易战略最有效的工具之一。世界贸易组织（WTO）研究专家约翰杰克逊说过:人们具有极大的聪明才智,设想出各种各样细致和明确的方法,禁止竞争产品的进口,而任何新创造的措施很快会被推广。【1】当今国际贸易环境中，各国政府和企业都在应对与日俱增的非关税措施。而在这一过程中,众多的发展中国家和最不发达国家已成为最易受到非关税措施冲击的群体。

在多边贸易规则的约束下,非关税措施根据各国需要不断变换着表现形式,由传统的非关税措施向新型措施发展演变。绿色贸易措施便是一种新兴的有效的贸易措施。并非所有的绿色贸易措施都称为绿色贸易壁垒，相对而言绿色贸易措施是一个中性用语。具有合法性和合理目的的绿色贸易措施在维护国际贸易秩序上所发挥的积极作用是应该给予肯定的，那些具有歧视性和非合理性的并会对国际正常贸易产生扭曲效果的绿色贸易措施才属于本文所称的绿色贸易壁垒的范畴。

从法律规定上看绿色贸易壁垒的概念，具体指：进出口国家和拥有单独外贸管辖权的进出口地区的政府或非政府组织以保护自然环境、生态资源和人类及动植物的健康为由，而实施的限制或禁止进出口贸易的措施，简称为绿色壁垒。由于绿色贸易措施一般会贯穿于产品的研制、开发、生产、包装、运输、使用、循环再利用等整个过程，因此经过人为操纵的某些措施逐渐成为各国经常利用的有效的贸易壁垒。

二、绿色壁垒的具体表现形式

绿色壁垒的具体措施一般包括绿色关税、绿色环境标志、绿色技术标准、绿色包装、绿色卫生检疫、绿色补贴等六种形式【2】：

1、绿色关税制度，即对一些影响生态平衡、污染环境的进口商品征收进口附加税的制度。这种形式是绿色壁垒的初期表现形式，通常为发达国家所常采用。例如，美国曾对原油和某些进口原油化工制品征收环境进口附加税，税率比国内同类产品要高出3.5美分/桶；瑞典于1991年开始是对石油、煤炭、天然气、汽油等征税。税基根据燃料的平均发热量和含碳量来确定，税率为每公斤排放量0.25克朗。现在随着WTO所倡导的削减关税限制的趋势，绿色关税制度在国际贸易中的运用受到了一定的限制。

2、环境技术标准和法规，即通过制定严格的强制性环保技术标准或法规，限制国外产品进入。由于发达国家的科学技术水平较高，在某些领域处于垄断地位，因此它们经常以保护环境为名义，通过立法制定严格的强制性的环保技术标准来限制国外商品进口。发达国家对中国实施的绿色技术标准主要集中在陶瓷产品的含铅量、皮革的PCP残留量、烟草中有机氯含量、机电产品和玩具的安全性指标、汽油的含铅量指标、汽车排放标准、纺织品染料指标以及保护臭氧层的受控物质等方面。如2003年2月,欧盟公布的电子电气方面的双绿指令【3】对电子电器设备的环保处置做出了严格规定，禁止含有有害物质的电子电器产品在欧盟市场出售及使用。

3、环境标志，即由政府管理部门或民间团体按照严格的程序和环境标准，颁发给厂商付印于产品及包装上的一种图形，以向消费者表明产品从研制、开发到生产、使用直至回收利用的整个过程均符合生态和环保要求。从1978年德国率先推出蓝色天使计划开始，到目前为止，己有近40个国家制定并实施了绿色环境标志，如欧盟的EU制度、日本1989年的生态标志、美国1989年的绿色签章、新西兰1992年的环境选择、北欧国家的白天鹅，还有部分国家在积极的制定当中。民间团体制定的环境标志，如美国的科学证书和绿色签章、瑞典的良好环境等【4】。

4、绿色包装，其本意是要求包装材料节约资源、减少废弃物，采用用后易于回收再用或再生、抑或自然分解、不污染环境的包装。现在它逐渐成为发达国家制造贸易保护的一种措施。目前，各国在绿色包装方面的规定可以概况为二个方面:第一，对包装材料的使用限制，如对不可降解材料、含有重金属材料、不能循环使用的器皿等的使用都有严格限制。第二，对可循环包装制定强制再循环使用的法规。如许多国家硬性规定啤酒、软性饮料、矿泉水、油漆、洗涤剂等物的包装器皿必须可循环使用或是循环利用。

5、绿色卫生检验检疫制度。其主要对象是食品安全，包括对食品的农药残留、放射性残留、是否含有毒素、添加剂、微生物及污染物的检疫。在实践中，绿色卫生检疫己经成为发达国家控制发展中国家食品进口的重要工具。2002年初开始，欧盟对我国出口茶叶实行新的农残检测标准，农残检测种类由原来的29种增至62种。在2002年初，中国出口到欧盟国家的蜂蜜被退回，对方退回的理由是欧盟检出中国的蜂蜜达不到10万吨中不能有1克氯霉素的要求。日本于2006年5月开始实施《食品中残留农业化学品肯定列表制度》,将农业化学品数量从目前的240种提高到734种,暂定农业化学品(包括农药、兽药和饲料添加剂)的最大残留限量值近50 000个,对尚不能确定具体暂定标准而欧美国家也无标准可参照的农业化学品,一律设定为目前国际上最为严格的0101ppm标准, 大幅度提高了进口农产品的门槛。

对产品进行卫生检疫本是无可厚非的事情，但许多发达国家出于贸易保护的目的，制定过于苛刻的卫生检疫标准，并且执行双重标准，就失去了公平贸易的精神和原则。

6、绿色补贴限制。为保护环境和降低企业成本，发达国家已经逐步将严重污染环境的产业转移到发展中国家。发展中国家企业因为暂时无力承担治理环境污染的所有费用，其政府或对企业提供环境改造和绿色产品研制方面的财政补贴，或者暂不要求企业把所有的环境污染及其治理费用计入产品成本（该行为在发达国家看来便形成了对产品的隐性环境补贴）。无论是发展中国家政府为扶植民族工业而公开给予的环境补贴，还是隐形的环境补贴，都被发达国家认定为违反WTO的有关原则的措施，需要对其加以限制和实施贸易制裁。如美国曾以绿色补贴为由，对进口自巴西的人造橡胶鞋提出过反补贴诉讼。

三、绿色贸易壁垒的形成基础

（一）社会基础

经济的高速发展带来了带来了日趋严重能过的环境问题，越来越多的政府开始制定相应的环保法规，走可持续发展道路成为当今社会的整体发展趋势，环保时代的序幕已经拉开【5】。绿色环保时代的到来已经引起绿色消费在世界范围内的共识。据统计显示，67%的荷兰人、77%的美国人和83%的法国人在购买消费品的时候更愿意优先考虑环保产品，绿色产业和环保商品的市场规模也应声扩大。这种绿色概念的兴起给绿色壁垒的形成提供了广泛的社会基础。

（二）国际公约基础

可持续发展是世界贸易组织的宗旨之一【6】。早在《关贸总协定》（GATT）中，便已经设置了环保例外条款，规定各成员国有权以保护人类及动植物生命或健康或为养护可用竭的天然资源为理由采取限制贸易的措施，不受GATT规定中其他规则的约束【7】。WTO在其多边贸易协议附件中也为环境保护提供了例外规则，主要体现在《技术性贸易壁垒协议》（TBT）和《实施动植物卫生检疫措施协议》（SPS）中。TBT协议在前言中规定:不能阻止任何成员方按其认为合适的水平采取诸如保护人类和动植物的生命与健康以及保护环境所必需的措施，只要这些措施不对情况相同的成员方造成武断的或不公正的歧视对待或者不对国际贸易构成变相的限制以及符合本协议的规定。该协议明确将保护环境和人类及动植物的生命和健康规定为各成员方的一项基本权利。

根据SPS协议规定：缔约方在两大领域有权选择它认为合适的程度来保护其管辖范围内的人民、动植物的生命和健康，只要不是有意或不公正地对待国外相同或类似产品，这两大领域是:动植物携带疾病的传播或输入，以及添加剂污染物、毒素、食物饮料及饲料导致疾病的有机物的含量。该协议在赋予成员方以环境保护的权利的同时，还进一步引入了预防原则:即成员国即使没有充分的科学根据，可以以预防性为理由而临时采取某种卫生或植物检疫措施，只要该国认为根据本国情况，它们是适当的。这两项协议均赋予了成员方 环保例外权，但对权利的行使缺乏明确的具体规定，尤其是当和其他贸易规范抵触时如何协调的问题，这就比较容易诱发新的贸易壁垒的产生。

另外，由于当前发达国家与不发达国家之间的环保立法和环境保护的标准差异较大，而TBT和SPS协议以及其他国际环境公约【8】在制定时并没有顾及到发展中国家与发达国家的这种差距，因而发展中国家的出口贸易更易遭受这种新的绿色壁垒的影响【9】。虽然乌拉圭回合没有就环境与贸易问题达成专门的协议，在一定程度上抵制了发达国家提出的某些不切实际的环保要求及其限制发展中国家产品出口的意图, 但在另一方面也为发达国家借保护环境之名实行不受WTO约束的贸易保护主义留下了法规空白，发达国家可以凌驾在国际公约之上提出更苛刻的环保条件、设置绿色壁垒。

（三）政策基础

由于关贸总协定（GATT）和世界贸易组织（WTO）法律框架对各国关税壁垒的约束，关税已经基本失去了贸易保护的作用。同时配额和许可证等传统的非关税壁垒也逐步受到限制, 发达国家的贸易保护主义者开始更多地利用环境作为其抵制外国产品入境的手段。这主要源于环境保护措施转做为贸易政策所具有的隐蔽性：凡是与保护生态环境、自然资源和人类健康有关的产品都可以成为它的保护对象，而且它覆盖了原料储备、产品生产、产品包装、产品运输、产品销售、消费者使用以及废弃物处理与回收再利用的全部流程。

据统计，目前欧盟己经形成了双层结构的技术法规和标准体系，其上层是约300个具有法律效力的欧盟指令，下层是上万个技术标准；美国有55种认证体系；日本目前有25种认证体系。这些繁杂而严格的法律、法规和要求，对于发展中国家的产品来说是难以达到或需要很高成本才能达到的，这就阻碍了发展中国家的出口产品进入发达国家市场，有的自然便成为了发达国家施行贸易保护政策的工具。

四、绿色壁垒给中国企业带来的影响及对策研究

（一）绿色壁垒给中国企业带来的影响 绿色壁垒对中国的影响体现在正反两方面：首先，绿色贸易壁垒给我国企业带来的最主要是负面影响。中国做为一个发展中国家，其制定的环境标准与发达国家相比都较低,因此发达国家污染严重的产业可以大量向我国国内转移,使我国环境进一步恶化。而我国的企业，尤其中小型企业难以支付高昂的环境治理与认证成本。如欧盟在2003年10月的出台的化学品方面的政策《关于化学品注册、评估和许可办法》(Registration, Evaluation and Authorization of Chemicals)，它要求用统一的注册评估许可体系管理化学品的生产、进口和销售,而每一种化学物质的基本单元试验费用至少10万欧元。这种苛刻的要求必然限制了我国中小企业的对外出口。

从另一个积极方面来看绿色贸易壁垒，它的出现会促使我国加强对环境问题的重视。我国在快速发展经济的要求下，在环境保护方面确实存在着许多问题。为突破壁垒的限制，我国政府和企业会侧重发展绿色贸易,逐步解决我国的环境与生产、贸易之间的问题。

（二）我国政府和企业应采取的对策 第一，从企业自身角度看：

1、要客观的认识绿色措施。并不是所有的绿色措施都是壁垒，有些环保要求和技术标准是符合社会公益的，是合理的，也是企业需要履行的社会责任。诸如三聚氰胺超标的产品是无论如何不能得到消费者谅解的，也不是用绿色壁垒可以解释的。我国企业应从积极的角度出发看待这些合理的措施，逐渐强化企业社会责任,提高企业的产品质量和技术标准。这不仅是应对绿色壁垒的需要,更是我国企业参与国际竞争,参与和谐社会建设的需要,是我国企业落实科学发展观的一个具体体现。

2、利用各种渠道获取信息、建立预警机制。由于信息的不对称和信息机制的不完善,我国企业尤其是中小企业对目标市场准入条件的变化不敏感，36%的中国企业面临着不知道对方的标准已经发生改变的情况。很多企业对贸易伙伴的政策法规、技术标准、环保标准、产品认证的信息知之甚少或根本不知道,以至于当贸易伙伴的这些情况发生改变时,仍在按照旧的标准和政策安排出口。因此, 实现信息的有效地收集、进行预先咨询对出口企业来讲是非常重要的。

3、开展国际认证工作。绿色壁垒中的很大一部分是各国或国际组织的认证体系。在英国、日本等发达国家的获证企业一般能达到注册企业总数的40%左右，而目前我国获得认证企业只占注册企业总数的0.8%左右。未获得对方国家的相关认证是我国出口产品遇到各种障碍的原因。积极应对国外绿色壁垒的一个重要举措便是加强认证工作,做好出口产品的国际质量认证、安全认证、环保认证等,获取产品在国际市场上的通行证。企业要针对不同国家和地区对产品的市场准入管理的不同要求,主动取得相关产品在功能、安全和可靠性方面的国际认证。

在开展国际认证的工作中，企业应着重掌握ISO14000环境管理国际标准体系，并争取获得ISO14000认证。ISO14000标准涉及从原料采购、产品生产、使用及回收处理的全部过程，同时该体系规定：对不符合该标准的产品，任何国家都可以拒绝进口。这就为发达国家实施绿色壁垒提供了一个看似合理的理由。现已有20多个国家直接将它作为国家环境管理体系标准，120多个国家采用ISO14000标准。因此对于我国的中小企业来说，目前应对绿色壁垒最有效的武器就是ISO14000标准认证。通过ISO14000认证，就意味着获得了进入大部分发达国家市场的通行证。

4、开发绿色产品。绿色产品在国际市场上有很大的吸引力和竞争能力，它们既满足了人们对环保的要求，又符合国际环境标准。目前的国际市场上的绿色产品种类非常丰富，从绿色食品、绿色家电、绿色服装到生态住宅，已经渗透到人们生活的各领域。在今后的国际贸易中，绿色产品所占的比重将越来越大。德国每年的绿色产品市场增长率约为6%一8%，美国绿色产品己占国内生产总量的10%左右。目前绿色食品以欧洲各国发展最快，其销售量已占整个食品的3%一5%，年贸易额在140亿美元。德国每年绿色食品销售量高达60亿马克，美国绿色食品年贸易额为60亿美元。而这些绿色食品将大部分从发展中国家进口。因此，对于积极开发绿色食品的中国企业来讲，其市场空间将是巨大的。

第二，从我国政府的角度着手：

1、政府应该为企业构建一个有效的信息平台，为我国进出口企业提供较完善而系统的信息咨询和指导，帮助企业尽快了解国外市场准入的技术标准和环境要求,跨越绿色壁垒。由于企业自身的局限性，很难对绿色壁垒信息进行及时收集、整理、跟踪，尤其是中小型企业更无法承担这样的成本。因此政府应利用其资源和资金优势，帮助企业建立一个包括各种绿色壁垒信息的数据库系统，提供法规信息、企业案例以及专家在线答疑的服务。

2、加快建立健全中国自己的绿色环保措施体系。以制定和实施与国际接轨的检验监测标准为重点,加大监测基础设施和设备投入,通过提高国内认证机构的能力建设促进国际互认。健全本国的环保措施体系，可以引导企业开展生态设计、降低原材料和能量的投入、减少资源配置中的浪费和流失、保护可再生资源；同时建立一套有效的国内环保要求，能够严防其他国家将污染密集型产业转移到我国境内，间接增加我国企业的环境治理成本。

3、积极参与国际标准的制定。迄今为止,由我国主导制定的国际技术标准和环境要求还很少,尤其在具有先导性、战略性且竞争激烈的高技术产业领域更是微乎其微。在大多数情况下,我国只能被动地采纳国际技术标准,这极大地制约了我国产业特别是新兴产业的发展空间,削弱了我国产业在国际市场上的竞争力。为此,我国应加快技术标准国际化步伐，探索国际标准制定的参与模式,确定参与标准的产业与产品的重点领域。通过政府与企业的协同配合将国内标准演化为国际标准,并努力在参与国际标准的制定过程中渗入中国元素。对于某些国际上不合理的技术标准应由政府通过WTO争端解决机制寻求解决途径，或采取必要的报复措施，维护我国企业的合法利益。

【注释】：

【1】[美]约翰杰克逊：《世界贸易体制:国际经济关系的法律与政策》，复旦大学出版社2001年版，第173页。

【2】孔庆峰：《技术性贸易壁垒理论、规则和案例》，中国海关出版社2004年版，第72页。

【3】即《关于报废电子电器设备的第2002 /96 /EC号指令》（WEEE,于2005年8月13日生效）和《关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质的第2002 /95 /EC号指令》（ROHS,将于2006年7月1日生效）。

【4】杨树明著：《非关税贸易壁垒法律规制研究》，中国检察出版社2007年版，第231页。

【5】方时姣：《中国绿色外贸战略》，中国财政经济出版社2001年版，第44页。

【6】张锡嘏：《外国技术性贸易壁垒及其应对》，对外经济贸易大学出版社2004年版，第31页。

【7】GATT第20条：如果下列措施的实施在条件相同的各国间不会构成任意的或无端的歧视手段，或者不会形成伪装起来的对国际贸易的限制，不得将本协定说成是妨碍任何缔约方采取或实行这些措施(b)为保护人类与动植物的生命或健康所必需者(g)关于养护可用竭的天然资源，凡这类措施同限制国内生产和消费一道实施者。

【8】主要包括《保护臭氧层维也纳公约》、《生物多样性公约》、《联合国气候变化框架公约》、《联合国海洋法公约》、《控制危险废物越境转移及其处置巴尔塞公约》、《濒危野生动植物物种国际贸易公约》等。

【9】石敏俊：《食品安全、绿色壁垒与农产品贸易争端》，中国农业出版社2005年版，第64页。