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        一種基于溫差電池(塞貝克效應(yīng))的新型節(jié)能燃?xì)庠?/h1>
        2017-05-30 10:21:28吳旭
        工業(yè)設(shè)計(jì) 2017年1期

        吳旭

        摘 要:本作品是一種基于溫差電池(塞貝克效應(yīng))的新型節(jié)能燃?xì)庠?。使得爐灶能夠最大化的利用流失的熱量實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng),從而提高爐灶對燃料的利用率。在爐灶外火蓋周圍用防火材料做成的聚火罩上用導(dǎo)熱管將流失的熱量導(dǎo)出,導(dǎo)出熱能由溫差電池(利用溫度差異,使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置)轉(zhuǎn)換為電能,安裝在灶底的風(fēng)扇利用這部分電能將空氣鼓入灶內(nèi),提高燃燒率。一種基于溫差電池(塞貝克效應(yīng))的家用節(jié)能爐灶,包括溫差電池(塞貝克效應(yīng))、整流器、蓄電池、鼓風(fēng)風(fēng)扇、普通節(jié)能燃?xì)庠睢?/p>

        關(guān)鍵詞:溫差電池;塞貝克效應(yīng);新型節(jié)能燃?xì)庠?/p>

        1研制背景及意義

        目前我國燃?xì)饽茉垂?yīng)日趨緊張,僅就民用及商用燃?xì)庑枨蠖?,全國?shù)以萬計(jì)的家庭、酒店、賓館和食堂等每日即需消耗數(shù)以萬立方計(jì)的燃?xì)?。但傳統(tǒng)的燃?xì)庠O(shè)備普遍存在燃?xì)庀牧看?,燃燒效率低,環(huán)境污染嚴(yán)重,熱能有效利用率低下等缺陷。目前,我國環(huán)境污染問題十分嚴(yán)重,溫室效應(yīng)十分顯著。如果家用、商用的節(jié)能灶大力推廣,可以給國家省下大量的能源,使廢氣排放量大大降低。

        目前市場使用的普通節(jié)能爐灶,主要通過將傳統(tǒng)燃?xì)庠疃嘀鹪慈紵脑斐蓡沃鶓腋∪紵姆绞剑够鹆鶆蚍植荚阱伒?,高溫全部集中于鍋底,其熱量大部分被鍋底吸收,從而減少了熱量損失。但是,即使這樣也會(huì)有45%左右的熱量白白損失。而基于溫差電池的新型節(jié)能爐灶,是在普通節(jié)能爐灶的基礎(chǔ)上,把損失的熱量利用起來,通過風(fēng)扇鼓風(fēng),進(jìn)一步提高了燃燒效率,這項(xiàng)技術(shù)與其他的不同在于實(shí)現(xiàn)了能量使用率的最大化。

        前蘇聯(lián)在1942年研制出世界上首臺溫差發(fā)電機(jī),當(dāng)時(shí)的發(fā)電效率約為1.5%—2%。此后,隨著各國工業(yè)的發(fā)展,各領(lǐng)域?qū)﹄娏Y源的需求呈幾何增長。因此,溫差發(fā)電技術(shù)得到巨大發(fā)展。從1960年開始,航空航天、軍事以及遠(yuǎn)洋探索領(lǐng)域已經(jīng)運(yùn)用溫差發(fā)電技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬,除了軍事和高科技領(lǐng)域外,民用、輕工業(yè)等領(lǐng)域也有了較好的發(fā)展。

        進(jìn)入21世紀(jì)以來,人類面臨能源枯竭和環(huán)境污染的危險(xiǎn),因此,各國對清潔能源和再生能源發(fā)電方面研究投入巨大財(cái)力和物力,許多成果已經(jīng)開始商用化。溫差電池的技術(shù)性能穩(wěn)定,有體積小、重量輕、無振動(dòng)、無噪音等優(yōu)點(diǎn)。可以方便地安裝在燃?xì)鉅t灶上,使燃?xì)鉅t灶的節(jié)能率、節(jié)時(shí)率和熱效率都有顯著提高。面對目前能源供應(yīng)緊張的大趨勢,如果這種基于溫差電池的新型燃?xì)鉅t灶可以大力推廣,那么對于國家的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面都有巨大的意義。

        2 設(shè)計(jì)方案

        2.1基于溫差電池(賽貝克效應(yīng))的新型節(jié)能燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        一種基于溫差電池(賽貝克效應(yīng))的家用節(jié)能爐灶包括溫差電池、整流器、蓄電池、無葉鼓風(fēng)風(fēng)扇、普通節(jié)能燃?xì)庠睢?/p>

        2.1.1溫差電池原理

        塞貝克效應(yīng),英文名稱為Seebeck effect,它是指由于溫度差異而產(chǎn)生的熱電現(xiàn)象。電流的出現(xiàn)方法可以簡要概括為:溫度不同的兩個(gè)金屬點(diǎn)相連,組成回路,利用這種方式產(chǎn)生的電流叫做熱電流。金屬的電子逸出功和有效電子密度決定了接觸電勢差,而接觸電勢差的產(chǎn)生源于兩種不同的金屬的互相接觸,這就是塞貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。不同種類的金屬導(dǎo)體接觸時(shí),由于其自由電子密度有差異,電子擴(kuò)散就會(huì)發(fā)生在兩種金屬的接觸面上。電子密度和電子的擴(kuò)散速率有關(guān)并和接觸區(qū)域的溫度成正比。因此,溫差電池就是利用溫度差異使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

        2.1.2整流器

        整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的裝置。它除了能給負(fù)載供電的功能外,還可以為蓄電池充電。

        2.1.3蓄電池

        蓄電池是一種把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。首先把電能儲(chǔ)存為化學(xué)能,電池沒有電后使其內(nèi)部活性物質(zhì)再生,需要時(shí)再放電。

        2.1.4無葉風(fēng)扇

        無葉電風(fēng)扇,沒有傳統(tǒng)風(fēng)扇的扇葉。其原理是從底部的吸風(fēng)孔先吸入空氣,圓環(huán)內(nèi)部的葉輪把空氣以圓形軌跡噴出,使其噴出空氣的軌跡大致為圓形,利用這種方式產(chǎn)生的空氣流比普通風(fēng)扇更平穩(wěn)。不會(huì)感到?jīng)_擊和刺激。無葉電風(fēng)扇同時(shí)帶有變頻風(fēng)速大小調(diào)節(jié)裝置,能耗低,約為普通風(fēng)扇的50%。通過蓄電池給電,能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的空氣流為燃?xì)庠罟倪M(jìn)充足空氣讓天然氣充分燃燒,提高燃燒效率。

        2.2 溫差電池儲(chǔ)能

        所研制的溫差電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成,分別為溫差電池、整流器、蓄電池。在制造便攜電源中,由于半導(dǎo)體在使用壽命以及保護(hù)環(huán)境等方面擁有巨大優(yōu)勢,其成為現(xiàn)今溫差電池儲(chǔ)能中的最佳材料。只要保持組件兩面的溫度差異為600℃,就可發(fā)出3.5V的電壓,0.6A的電流。在小于180℃的熱面上,發(fā)電組件可以穩(wěn)定的貼在表面上,需要注意的是,應(yīng)該均勻地給發(fā)電組件受熱。此外,為了保證把傳過來的熱量隨時(shí)帶走,必須在冷面中安裝散熱片,并采取一些其他的冷卻措施以提高效果,保持組件兩面間的溫差。整流器將輸出值控制在一定范圍之內(nèi),由此可以安全便捷地將溫差發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能儲(chǔ)存在蓄電池中,蓄電池選擇規(guī)格為6V /5A的鋰電池,可以很好地給無葉鼓風(fēng)風(fēng)扇提供電力。

        2.2.1 溫差節(jié)能燃?xì)庠顚?shí)驗(yàn)?zāi)P椭谱髟斀?/p>

        (1)溫差電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所使用的溫差電池(圖2)

        2.2.2 溫差儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺使用方案

        溫差電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成,分別是發(fā)電、整流、儲(chǔ)能,當(dāng)燃?xì)庠铋_始工作時(shí),大量的余熱不能充分利用,通過導(dǎo)氣管導(dǎo)出的熱氣作為溫差電池的熱源,利用這些廢熱進(jìn)行發(fā)電,通過整流器整流之后先存儲(chǔ)在蓄電池中,同時(shí)由蓄電池為無葉風(fēng)扇提供電能,源源不斷地鼓進(jìn)空氣使天然氣更加充分地燃燒。

        2.2.3 溫差儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺分析

        圖6為元件的原理圖。N型和P型半導(dǎo)體交替排列,每一對半導(dǎo)體的一端放置金屬導(dǎo)體片,另一端連接負(fù)載電阻R。當(dāng)電流在負(fù)載電阻上通過時(shí),必須使回路中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢,即一側(cè)的溫度加熱至T1,而另一側(cè)加熱至T2時(shí)。根據(jù)塞貝克定律中α為電動(dòng)勢率之和,r為兩臂的內(nèi)阻之和。r=(ρ1/s1+ρ2/s2)中,ρ表示兩臂的電阻率、s表示橫截面積,溫差發(fā)電效率的定義是外電路中得到的有用電能與熱源所消耗的能量之比。熱源消耗的能量包括以下幾項(xiàng):1. 熱端吸收的珀?duì)柼麩酫1Q1=α2T1(T1-T0)/(R+r) ;2.熱端傳導(dǎo)到冷端的熱量QmQm=K(T1-T0) 3. 溫差電池內(nèi),焦耳熱從電流I中流過,其中1/5的熱量轉(zhuǎn)移到熱端中,從而把功率還給熱源。溫差材料的品質(zhì)因數(shù)為,當(dāng)R=r時(shí),在最大輸出功率的條件下,溫差電池的效率。

        溫差發(fā)電機(jī)中的品質(zhì)因數(shù)Z由于熱端和冷端溫度和溫差發(fā)電材料產(chǎn)生,Z值還對溫度有強(qiáng)烈的依賴性,所以不同的工作溫度需要不同的材料來匹配。我們使用溫差發(fā)電材料為PbTe合金,用康銅片連接,其熱端溫度可達(dá)600℃。

        3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

        從表1可以看出,溫差節(jié)能燃?xì)庠羁梢源蠓忍岣呷紵?。可以大大?jié)省時(shí)間和金錢,同時(shí)對環(huán)境的影響和其他兩種燃?xì)庠钕啾?,具有非常大的?yōu)勢。

        在我國,每天數(shù)以萬計(jì)的家庭、酒店、賓館、食堂需消耗數(shù)以萬立方計(jì)的燃?xì)猓捎么诵滦凸?jié)能燃?xì)庠?,將大大?jié)省燃?xì)饬俊D壳?,中國已成為世界第四大天然氣消費(fèi)國。2015年我國天然氣進(jìn)口量達(dá)900億立方米。據(jù)專家預(yù)測,我國天然氣消耗量將在未來十年內(nèi)達(dá)到約3310億立方米,成為全球第二大天然氣消費(fèi)國,占世界總消耗量的7%。面對這種局面,溫差節(jié)能燃?xì)庠畹耐茝V使用,將會(huì)給國家節(jié)省上百億的資金,對于我國來說,意義十分巨大。

        4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

        基于溫差電池新型節(jié)能燃?xì)庠睿瑢⒗速M(fèi)的熱量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來,供給風(fēng)扇從而實(shí)現(xiàn)給燃?xì)庠罟娘L(fēng)來提高燃燒效率的目的。與普通的節(jié)能燃?xì)庠钕啾?,它很好的吸收了鍋底吸收不到的那部分熱量,將其有效地利用,通過溫差儲(chǔ)能系統(tǒng),鼓風(fēng),提高燒效率。大大節(jié)省了家庭、酒店、食堂等的用氣量。由于有安全、無噪音、穩(wěn)定等這些優(yōu)點(diǎn),無論是家庭還是酒店,食堂都可以放心使用。全國數(shù)以萬計(jì)的家庭、酒店、賓館和食堂等每天即需消耗數(shù)以萬立方計(jì)的燃?xì)?,而采用此新型?jié)能燃?xì)庠睿瑢⒋蟠蠊?jié)省燃?xì)饬?。從全國范圍來看,可以非常有效地緩解我國用氣緊張的問題。而且可以減少溫室氣體的排放量。

        綜上所述,此新型節(jié)能燃?xì)庠畹墓?jié)能方式區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù),無論對普通家庭還是酒店,食堂等都可以節(jié)省很大一筆開銷。對于國家來說,更是具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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