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        基于溫差發(fā)電技術的節(jié)能環(huán)保燃氣灶的研制

        2016-12-08 02:01:16鄭宇康鄒明燁王本陽鄭奎生
        中國新技術新產品 2016年21期
        關鍵詞:灶具燃氣灶總和

        鄭宇康鄒明燁王本陽鄭奎生

        (1.威海市第二中學,山東 威海 264200;2.威海市第一中學,山東 威海 264200;3.哈爾濱工業(yè)大學(威海)光電科學系,山東 威海 264200;4.威海市市級機關衛(wèi)生所,山東 威海 264200)

        基于溫差發(fā)電技術的節(jié)能環(huán)保燃氣灶的研制

        鄭宇康1鄒明燁2王本陽3鄭奎生4

        (1.威海市第二中學,山東 威海 264200;2.威海市第一中學,山東 威海 264200;3.哈爾濱工業(yè)大學(威海)光電科學系,山東 威海 264200;4.威海市市級機關衛(wèi)生所,山東 威海 264200)

        目的:探討節(jié)能環(huán)保燃氣灶研制及應用。方法:將雙灶頭燃氣灶的一側按照節(jié)能環(huán)保燃氣灶的設計方案改造,在兩側灶具內加入等重的水,加熱相同時間。間隔30s記錄兩灶具水溫、節(jié)能環(huán)內、外水箱溫度、電流、電壓。結果:普通燃氣灶具內水溫總和:7319.5℃,節(jié)能環(huán)保燃氣灶具內水溫總和:7592.9℃,二者總溫差:273.4℃。節(jié)能環(huán)內水箱溫度總和:7217.1℃;外水箱溫度總和:5044℃,二者溫差:2173.1℃;總電流:5.2021A,總電壓:64.6515V,發(fā)電總量:0.00003121kWh。結論:節(jié)能環(huán)保燃氣灶具有升溫快、降溫慢、熱能利用率高、節(jié)能、環(huán)保、安全等特點。

        溫差發(fā)電;節(jié)能環(huán);燃氣灶

        節(jié)能與環(huán)保是21世紀人類面臨的嚴重問題。中國正處在持續(xù)發(fā)展的關鍵階段,開發(fā)新能源和充分利用低品位能源、廢能源具有重大意義。同時,通過節(jié)能可以節(jié)約大量燃料,對于降低我國在二氧化碳,二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影響。現(xiàn)有的燃氣灶,熱利用率較低,只是利用火焰上方熱能,其火焰周圍熱能沒有很好地利用,造成熱能大量浪費。并且經常出現(xiàn)忘記關閉燃氣灶開關造成糊鍋的現(xiàn)象,有時甚至引發(fā)火災。

        本研究的目的在于解決現(xiàn)有技術的不足:(1)將傳統(tǒng)燃氣灶灶具支架升級改造為“節(jié)能環(huán)”;(2)增加預約定時火力控制功能;(3)充電、LED燈照明、音樂MP3播放功能。節(jié)能環(huán)的作用是:①將燃氣灶的火焰外圍熱能儲存;②利用溫差發(fā)電技術將部分熱能轉變成電能,為燃氣灶自身供電,并可以為家用小電器充電,多余電能通過蓄電池儲存。預約定時火力控制功能:利用多通道定時器、電磁閥分別定時控制燃氣灶火力大小,到時自動關閉燃氣灶,增加燃氣灶的安全性。LED燈照明、MP3播放音樂增加操作者的舒適性及樂趣。

        1.材料與方法

        1.1一般資料

        采用雙灶頭燃氣灶,將一側灶頭按照節(jié)能環(huán)保燃氣灶的設計方案改造。節(jié)能環(huán)規(guī)格:315*315*40mm,形狀為內圓外方。節(jié)能環(huán)的主要結構:內、外兩層不相通水箱中間夾有溫差發(fā)電片,溫差發(fā)電片兩側分別涂勻導熱硅脂。節(jié)能環(huán)4面共用溫差發(fā)電片26片,溫差發(fā)電片采用串聯(lián)。半導體溫差發(fā)電片型號:SP1848-27145-SA。

        1.2方法

        節(jié)能環(huán)保燃氣灶的設計:其內部結構與外部形態(tài)如圖1、圖2所示。燃氣灶主要由灶體(1)、節(jié)能環(huán)(2)兩部分組成,節(jié)能環(huán)主要由內水箱(3)、溫差發(fā)電片(4)及外水箱(5)組成,內、外兩層水箱分別連接進水管(11)、(13)及出水管(12)、(14)。內、外水箱內分別設有溫度傳感器(6)、(7),內層水箱還設有通氣孔(19),內層水箱(3)內面設有灶具支架(18),使灶具(17)與內層水箱(3)之間存在間隙,灶具與火焰接觸面更大,可以更好地吸收熱能。內水箱(3)為熱水箱,外水箱(5)為冷水箱,內、外水箱的溫差使溫差發(fā)電片產生電能,通過升壓、穩(wěn)壓控制電路板(9)為蓄電池(10)充電,然后通過負載開關(8)控制LED燈(15)、音樂MP3(16)。燃氣灶還設有火力控制開關(20)、定時開關(21)。

        圖1 多功能節(jié)能燃氣灶結構示意圖

        圖2 燃氣灶節(jié)能環(huán)上視圖

        內、外水箱由于存在溫度差不恒定,半導體溫差發(fā)電模塊產生的壓差也不穩(wěn)定,不能滿足蓄電池充電電路的要求。為此,首先須對電壓進行穩(wěn)壓處理,然后用穩(wěn)定的電壓給蓄電池充電電路提供電能。下面具體分析溫差發(fā)電片為蓄電池充電、負載供電的工作原理。如圖3所示。

        將相同的兩個灶具內加入相同重量水2200mL,相同火力加熱1200s,關火繼續(xù)監(jiān)測1800s。間隔30s記錄兩灶具水溫、節(jié)能環(huán)內、外水箱溫度、電流、電壓。并計算出3000s溫差發(fā)電總量。具體實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

        圖3 溫差發(fā)電片為蓄電池充電、負載供電框圖

        圖4 普通燃氣灶與節(jié)能環(huán)保燃氣灶實驗數(shù)據(jù)平滑線散點圖

        圖5 

        2.結果

        普通燃氣灶具內水溫總和:7319.5℃,節(jié)能環(huán)保燃氣灶具內水溫總和:7592.9℃,二者總溫差:273.4℃。二者溫差270s達到最大20.3℃,630s~1200s二者溫度最高達到平衡。1200s關閉燃氣灶,兩灶具內水溫開始緩慢下降,3000s,二者溫差達3.2℃;節(jié)能環(huán)內水箱溫度總和:7217.1℃;外水箱溫度總和:5044℃,二者溫差:2173.1℃;總電流:5.2021A,總電壓:64.6515V,發(fā)電總量:0.00003121kWh。后面溫差逐步減小,發(fā)電量較少,沒有繼續(xù)監(jiān)測。

        3.討論

        國際上,美、日兩國是目前對熱電材料與工程研究投入最多的國家之一。國內對半導體致冷現(xiàn)象和應用研究具有一定水平。溫差發(fā)電技術目前主要用于油田、野外、軍事等領域。該項目的另一市場化領域在于將發(fā)電裝置用于太陽能、地熱、工業(yè)廢能等的利用,使熱能直接轉化為電能。

        熱電現(xiàn)象本身是可逆的,溫差發(fā)電和半導體致冷是熱電現(xiàn)象的兩個方面,互相可逆??赏粋€PN結,若施加溫差則可用來發(fā)電,若對其通電,則可用于在一端致冷。半導體溫差發(fā)電模塊是根據(jù)塞貝克效應制成的,即把兩種半導體的接合端置于高溫,處于低溫環(huán)境的另一端就可得到電動勢:

        式中:α為塞貝克系數(shù),其單位為V/K.塞貝克系數(shù)α是由材料本身的電子能帶結構決定的。半導體溫差發(fā)電片,是一種利用溫差直接將熱能轉化為電能的全固態(tài)能量轉化發(fā)電裝置,它無需化學反應且無機械移動部分,因而具有無噪音,無污染,無磨損,重量輕,使用壽命長等優(yōu)點。隨著能源的短缺及人們不斷提高的環(huán)境保護意識,特別是全球氣候變暖問題,半導體溫差發(fā)電技術以其各種優(yōu)點越來越引起人們的關注。因此溫差發(fā)電技術具有很好的推廣和實用價值。

        目前已有商品器件和設備出售,但對溫差發(fā)電方面研究相對落后,溫差發(fā)電技術在日常生活中應用也相對較少。溫差發(fā)電技術應用于燃氣灶的報道相對更少,現(xiàn)有的燃氣灶,熱利用率較低,造成熱能大量浪費。燃氣灶功能單一,加熱時間及加熱模式不能很好地選擇,遇到煲湯或燉肉等加熱時間較長模式時,就要不停進出廚房關注燃氣灶,經常出現(xiàn)忘記關閉燃氣灶開關而造成糊鍋的現(xiàn)象,浪費能源,有時甚至引發(fā)火災。

        本研究的目的在于發(fā)明一種節(jié)能、環(huán)保、安全的燃氣灶,并將溫差發(fā)電技術應用于燃氣灶。其核心技術:(1)將傳統(tǒng)燃氣灶灶具支架升級改造為“節(jié)能環(huán)”;(2)預約定時火力控制功能;(3)增加充電、LED燈照明和音樂MP3播放等功能。節(jié)能環(huán)的主要結構為:內、外兩層不相通水箱中間夾有溫差發(fā)電片,其作用是:①內水箱將燃氣灶火焰外圍熱能儲存,并為溫差發(fā)電片提供熱源。水箱里的熱水達到100℃可以飲用,也可以與供暖設備、熱水器等設備連接。燃氣灶停止加熱,水箱的熱能還可以反作用于灶具,起到文火加熱、食物保溫的效果,可大大節(jié)約燃料。②利用溫差發(fā)電技術將部分熱能轉變成電能,并通過蓄電池保存。預約定時火力控制功能:根據(jù)食材需要預設火力大小及時間。譬如,煲湯預計40min,可預約定時10min大火,30min小火,40min后自動關閉燃氣灶,既節(jié)約燃料,解放勞動力,又增加燃氣灶的安全性。LED燈照明、MP3播放音樂增加操作者的舒適性及樂趣。下面通過一組實驗數(shù)據(jù)證明該燃氣灶的節(jié)能特性。普通燃氣灶具內水溫總和:7319.5℃,節(jié)能環(huán)保燃氣灶具內水溫總和:7592.9℃,二者總溫差:273.4℃,節(jié)能環(huán)保燃氣灶熱利用率提高3%;二者溫差270s達到最大為20.3℃,630s~1200s二者溫度達到平衡,節(jié)能環(huán)保燃氣灶有升溫快的特點;1200s后關閉燃氣灶,兩灶具內水溫開始緩慢下降,3000s,二者溫差達3.2℃,節(jié)能環(huán)保燃氣灶有降溫慢的特點;節(jié)能環(huán)內水箱溫度總和:7217.1℃;外水箱溫度總和:5044℃,二者溫差:2173.1℃;總電流:5.2021A,總電壓:64.6515V,發(fā)電總量:0.00003121kWh。節(jié)能環(huán)保燃氣灶較普通燃氣灶具有升溫快、降溫慢的特點,還具有熱能利用率高,節(jié)能、環(huán)保、安全等功能。

        當然該研究項目還有很多方面需要改進:(1)如何使溫差發(fā)電模塊輸出穩(wěn)定的電壓、電流。由于溫度差不穩(wěn)定,半導體溫差發(fā)電模塊產生的壓差也不穩(wěn)定,不能滿足蓄電池充電電路的要求。(2)溫差發(fā)電模塊的材料還需要進一步完善,使其耐受溫差更大、性能更穩(wěn)定。(3)溫差發(fā)電片實際發(fā)電量較標準發(fā)電量相差較大,實驗方法、步驟還有待進一步完善。這些不足都是今后不斷研究、改進的方向。

        隨著保護環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲越來越高,利用溫差發(fā)電將會是未來發(fā)展的一個方向,從小型器件到大型電站,將越來越多地把實驗室理論應用到實踐中去。溫差發(fā)電技術還可以應用其他行業(yè),像酒店、供暖公司的爐灶、鍋爐等都可以應用到這項技術。

        [1]何元金,陳宏,陳默軒.溫差發(fā)電—一種新型綠色的能源技術[J].工科物理,2000(2):36-41.

        [2]屈健,李茂德,樂偉,等.半導體溫差發(fā)電器的工作性能優(yōu)化[J].低溫工程,2005,144(2):20-23.

        TM913

        A

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