李雪晴　徐婉昕　朱巧珍　黃 齊　李 希　胡安正

(湖北文理學院 物理與電子信息學院　湖北 襄陽　441053)

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一種充分利用熱能的溫差發(fā)電燃氣灶*

李雪晴徐婉昕朱巧珍黃 齊李 希胡安正

(湖北文理學院 物理與電子信息學院湖北 襄陽441053)

摘 要：現(xiàn)今，能源危機和環(huán)境污染的問題日益嚴重，節(jié)能環(huán)保成為人們關(guān)注的話題．本文介紹的溫差發(fā)電是一種綠色環(huán)保發(fā)電方式，它可以合理利用太陽能、地熱能、海洋熱能、工業(yè)余熱等低品位能源轉(zhuǎn)化為電能．所提出的方案主要是通過利用兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料兩端產(chǎn)生溫差進而形成電勢差的物理原理研發(fā)出一種充分利用熱能的溫差發(fā)電燃氣灶，不僅提高了原燃氣灶對燃氣的利用率，而且還能將燃氣余熱轉(zhuǎn)化為電能．

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電熱電轉(zhuǎn)換材料電勢差 燃氣灶 利用率

目前，地球資源匱乏，能源短缺，而生活中很多能源都被浪費了，很多人都在努力提高能源利用率，然而效果并不明顯，如燃氣熱．我國燃氣需求量很大[1]，很多燃氣灶生產(chǎn)廠家都在努力改造燃氣灶的結(jié)構(gòu)形式來提高熱效率，但是效果卻不是很理想．國家發(fā)改委2004年發(fā)布的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中提出，到2010年，家用燃氣灶熱效率需達到60%～65%．但是，國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心的檢測結(jié)果顯示，目前我國臺式燃氣灶的熱效率普遍為55%～58%，至于嵌入式燃氣灶的熱效率普遍都在52%～55%，熱效率超過60%的燃氣灶具比例不到1%．因此我們認為是否可以研制一種裝置，既能提高燃氣灶對燃氣的利用率，又能將燃氣余熱轉(zhuǎn)化成電能加以利用．本文提出的一種充分利用熱能的溫差發(fā)電燃氣灶很好的解決了這一問題．

1溫差發(fā)電技術(shù)

溫差發(fā)電技術(shù)是將兩種不同的熱電材料連接起來利用塞貝克效應[2]將熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)[3]，只要有溫差存在就能持續(xù)不斷地產(chǎn)生電能．根據(jù)熱電轉(zhuǎn)換材料和導熱性能的不同可以適應于不同的溫度和溫差環(huán)境，由于半導體材料的熱點優(yōu)值比普通金屬的要大，所以通常采用半導體材料作為熱電材料來提高溫差發(fā)電的效率．同時，半導體溫差發(fā)電[4]具有體積小、重量輕、無噪聲、無污染、性能穩(wěn)定、使用壽命長、無介質(zhì)泄漏等特點．

2燃氣灶總體構(gòu)架

該裝置主要由內(nèi)側(cè)高溫端中空裝置、外側(cè)低溫端中空裝置、溫差發(fā)電片、穩(wěn)壓模塊組成，內(nèi)側(cè)高溫端中空裝置內(nèi)填充耐高溫液體以形成高溫面，外側(cè)低溫端中空裝置內(nèi)填充傳熱性能差且沸點較低的液體以形成低溫面，溫差發(fā)電片貼合在高低溫面之間，最終通過穩(wěn)壓模塊來達到輸出穩(wěn)定電壓的目的，利用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)來提高燃氣的利用率．內(nèi)外中空裝置上的通氣小孔可以散發(fā)液體蒸汽，避免安全事故的發(fā)生．設(shè)計思路框圖如圖1所示．

圖1　裝置設(shè)計思路

3燃氣灶電路連接

該燃氣灶的發(fā)電實物及效果如圖2所示.

①溫差發(fā)電片；②內(nèi)側(cè)高溫端中空裝置；③外側(cè)低溫端中空裝置；

4燃氣灶的實驗數(shù)據(jù)及效果分析

4.1實驗數(shù)據(jù)

表1

4.2功能特點及效果分析

將溫差發(fā)電片置于內(nèi)外中空裝置之間，內(nèi)側(cè)高溫端中空裝置可裝沸點在100 ℃到300 ℃之間的液體，外側(cè)低溫端中空裝置可以裝水．加熱約兩分鐘后，內(nèi)層液體達到沸點，而外層液體溫度基本不變，此時溫差基本穩(wěn)定，輸出的電壓基本穩(wěn)定．

該裝置一圈可放20~25片溫差發(fā)電片，每片溫差發(fā)電片的輸出功率可達2W，一個裝置便可輸出40~50W的功率，輸出的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定后，可為部分家電供電．

5燃氣灶的創(chuàng)新點

(1)本裝置利用溫差發(fā)電的物理原理，實現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)化，既極大提高了燃氣熱能的利用率，又節(jié)能環(huán)保[5]；

(2)利用液體沸點不變的物理原理，確保發(fā)電片冷熱端有穩(wěn)定的溫差，達到持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的目的；

(3)這種組裝方便、環(huán)圍在燃氣火苗周圍的不銹鋼容器，既能大大提高燃氣火苗的利用效率，又能夠使熱端快速吸熱，提高發(fā)電速度和效率，發(fā)電效果明顯．

6結(jié)束語

本文提出的這種溫差發(fā)電裝置具有無污染、壽命長、無噪聲等特點，符合當代節(jié)能環(huán)保的主題，同時，該裝置特殊的環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計也進一步提高了燃氣的利用率．此外，溫差發(fā)電技術(shù)還可以利用不同等級和形式的熱能，靈活應用于生活、工業(yè)等涉及熱能轉(zhuǎn)化的領(lǐng)域．因此，溫差發(fā)電將會充分應用于我們的生活當中，讓我們的未來變得更加美好．

參 考 文 獻

1劉勇,趙忠德,李廣,王占黎,楊義,張高杰.我國城市燃氣行業(yè)天然氣利用現(xiàn)狀與展望.國際石油經(jīng)濟，2014,22(9):79～91

2肖哲鵬,武文革,馮霞.余熱利用溫差發(fā)電器件設(shè)計與制作.機械設(shè)計與制造，2014,10(10):259～261

3陳國慶,寧鐸,梁棟平,文婷.半導體溫差發(fā)電實驗儀器的研制.電子器件，2014,37(2)：275～278

4王長宏,林濤,曾志環(huán).半導體溫差發(fā)電過程的模型分析與數(shù)據(jù)仿真.物理學報，2014,63(19):197～201

5胡偉平,劉偉軍,徐承隆.汽車尾氣溫差發(fā)電器換熱通道強化換熱性能的數(shù)值模擬.西南師范大學學報(自然科學版)，2014(04):156～161

(收稿日期：2015-12-08)

*湖北文理學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目資助，編號：201510519013, 201510519084

指導教師：胡安正(1965-)，男，博士，教授，主要從事電子信息科學與技術(shù)教學和電子信息工程方面的研究.