一種利用煙氣余熱的溫差發(fā)電系統(tǒng)

宋涵 方泓堃

摘 要：介紹了一種新型的溫差發(fā)電模塊，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套利用煙氣余熱的小型發(fā)電系統(tǒng)，可以直接運用在農(nóng)村的爐灶煙氣排氣筒上，其產(chǎn)生的電能可以直接用于給小型電子設(shè)備供電，或給蓄電池充電等。其中為了使輸出功率最大，考察和設(shè)計了發(fā)電模塊的組合排列方式，為了使冷端迅速降溫設(shè)計了相關(guān)的噴水降溫模塊和相關(guān)自動控制電路，此外設(shè)計了相關(guān)升壓穩(wěn)壓電路，用于給日常電子設(shè)備和蓄電池充電和供電。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；煙氣余熱；自動降溫；穩(wěn)壓電路

1 引言

溫差發(fā)電器模塊是一種利用溫差直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)化發(fā)電裝置，它無需化學(xué)反應(yīng)且無機械移動部分，因而具有無噪音、無污染、無磨損、重量輕、使用壽命長等種種優(yōu)點，被廣泛地用于工業(yè)余熱、廢熱的回收利用、航天輔助電力系統(tǒng)等。隨著能源的短缺及人們不 斷提高的環(huán)境保護(hù)意識 ， 特別是全球氣候變暖問題，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)以其各種優(yōu)點越來越引起人們的關(guān)注

溫差發(fā)電是利用兩種連接起來的導(dǎo)電體或者半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)（SeebeckEffect），將熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種技術(shù)。由兩種不同類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的回路如圖1，當(dāng)裝置的一端處于高溫狀態(tài)另一端置于低溫狀態(tài)下，就會在回路中形成電動勢：

ε=αs（T2-T1）

（1）式中：T1為低溫端溫度，K；T2為高溫端溫，K；αs為所用熱電轉(zhuǎn)換材料的塞貝克系數(shù)，V/K。 在應(yīng)用時多個PN結(jié)串聯(lián)起來，構(gòu)成一個熱電轉(zhuǎn)換模塊（見圖2），目前已有產(chǎn)品面市。例如SP11848-27145型號的40×40mm的溫差發(fā)電片，該模塊能在-20℃到150℃的溫度范圍內(nèi)有效地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，輸出功率為0.2～3.5W。

2 利用煙氣余熱的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

該發(fā)電系統(tǒng)主要與四大模塊組成：發(fā)電模塊、升壓穩(wěn)壓模塊、儲能模塊和自動噴水降溫模塊。發(fā)電模塊將溫度較高（100～200℃）的煙氣筒壁作為高溫?zé)嵩?，散熱端用以鋁制散熱片外加相應(yīng)的自動噴水冷卻系統(tǒng)將溫度維持在60℃左右，從而制造較大的溫差（>=40℃），提高發(fā)電功率和效率。發(fā)電模塊產(chǎn)生的不穩(wěn)定的低電壓經(jīng)過專用的穩(wěn)壓電路板，能夠以直流5v穩(wěn)壓輸出，并配以USB接口，可以對充電寶，手機，小功率led燈等小功率電器進(jìn)行充電，其余電能儲存在儲能模塊的蓄電池中。其中，自動噴水冷卻模塊能量來源為自身發(fā)電，整體不需要另外的能源輸入。依靠相應(yīng)的溫度開關(guān)和控制電路，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自主的噴水降溫，并且在降溫的同時也一定程度上增加了室內(nèi)空氣濕度，起到加濕作用。

2.1 發(fā)電模塊

發(fā)電模塊的核心為半導(dǎo)體溫差發(fā)電片?？紤]到成本和性價比問題，該設(shè)備選用的是市場有售的SP11848-27145型號的40×40mm的溫差發(fā)電片?？紤]到煙筒壁為曲面，為保證發(fā)電片熱端能均勻受熱，將兩組發(fā)電片用導(dǎo)熱膠帶貼于40×150mm的鋁制散熱板上，作為一組發(fā)電板。其中每組發(fā)電板的兩塊發(fā)電片串聯(lián)連接，該裝置共用四組發(fā)電板，采用環(huán)繞方式固定于煙筒一周。兩組發(fā)電板之間串聯(lián)聯(lián)連接，然后再并聯(lián)連接。經(jīng)過實驗測試，這種連接方式輸出功率最大。四組發(fā)電板環(huán)繞煙筒一周，用熱硅膠固定于煙筒上?；馉t在滿狀態(tài)工作時，下部的煙筒壁溫度可達(dá)120～150℃，因此煙筒壁為一個很理想的熱源。

2.2 升壓穩(wěn)壓模塊

升壓模塊使用的控制芯片為碩芯科技的SX1308 DC-DC升壓芯片，電路設(shè)計如電路圖2.2。該電路可以將1-5v的直流輸入轉(zhuǎn)化為5v直流穩(wěn)壓輸出。因為大多數(shù)常用小功率電子設(shè)備的輸入電壓均為5v，加上輸出端直接為USB接口，其可直接為許多小功率電子設(shè)備，如充電寶、手機等充電，或者直接作為led燈的電源，并且可以直接為自動噴水降溫裝置進(jìn)行供電。在不額外加負(fù)載的情況下，所產(chǎn)生的電能將儲存在最上方的蓄電池中。

2.3 自動噴水降溫模塊

在進(jìn)行試驗時發(fā)現(xiàn)，如果只靠散熱片與空氣進(jìn)行熱交換來進(jìn)行散熱，散熱片溫度隨著時間增加甚至能達(dá)到80～90℃，散熱效率很低，發(fā)電能力下降。所以應(yīng)添加自動噴水降溫裝置。

該裝置主要由儲水罐，微型小功率水泵，PVC水管，四個噴頭和控制電路組成半柱體空間內(nèi)加水，口下方為柱形儲水罐，另一側(cè)空間放置控制電路和水泵。

控制電路原理圖如電路圖2.3所示

小水泵M選用型號為WAJ280的5v直流微型水泵，溫度開關(guān)為一種用雙金屬片作為感溫元件的溫度開關(guān)，電器正常工作時，雙金屬片處于自由狀態(tài)，觸點處于閉合/斷開狀態(tài)，當(dāng)溫度升高至動作溫度值t（70℃）時，雙金屬元件受熱產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而迅速動作，打開/閉合觸點，切斷/接通電路。此溫度開關(guān)附著于散熱片外側(cè)。

實現(xiàn)自動控制的原理：當(dāng)散熱片溫度高于設(shè)定值時，溫度開關(guān)斷開，三極管集電極正偏，三極管處于發(fā)大或飽和狀態(tài)，此時水泵M工作，四個噴頭噴水，散熱片降溫，指示燈LED0發(fā)光。當(dāng)散熱片溫度低于設(shè)定值t時，溫度開關(guān)接通，三極管集電極—發(fā)射集短接，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，水泵M停止工作，噴頭停止噴水降溫，指示燈熄滅。如此以往，實現(xiàn)自動噴水

降溫。

3 發(fā)電效果

根據(jù)上面的設(shè)計，在火爐全火力工作時，熱端溫度可達(dá)120～150 ℃，冷端溫度在60～70℃，在無穩(wěn)壓電路時，得到輸出開路電壓為7v左右，在接入穩(wěn)壓模塊和蓄電池時，匹配輸出電壓可穩(wěn)定在5V，輸出電流可達(dá)0.6A，功率達(dá)到3W。

4 結(jié)束語

該套裝置將溫差發(fā)電引用到家庭余熱發(fā)電的領(lǐng)域上，從最日常生活中開始節(jié)能減排。此外，自動噴水降溫模塊的閉環(huán)反饋電路，可實現(xiàn)完全自主的自動冷卻降溫，該電路模型有著十分廣闊的運用空間。該套裝置無需改動原有火爐結(jié)構(gòu)，可直接作為一套嵌入性裝置加裝在排氣管道上。另外考慮到本設(shè)計體積小、重量輕、無運動部件。該裝置可以直接作為獨立組件向所有用火爐取暖的地區(qū)進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙建云. 溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀[J]. 綜述，2010 年03期

[2] 張一鵬. 低碳經(jīng)濟(jì)背景下的新能源開發(fā)和利用[J]. 中外能源. 2010（11）

作者簡介

宋涵（1996-），西北工業(yè)大學(xué) 動力與能源學(xué)院 自動化專業(yè)。