一種基于溫差電池（塞貝克效應）的新型節(jié)能燃氣灶

吳旭

摘 要：本作品是一種基于溫差電池（塞貝克效應）的新型節(jié)能燃氣灶。使得爐灶能夠最大化的利用流失的熱量實現(xiàn)鼓風，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熱管將流失的熱量導出，導出熱能由溫差電池（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）的家用節(jié)能爐灶，包括溫差電池（塞貝克效應）、整流器、蓄電池、鼓風風扇、普通節(jié)能燃氣灶。

關(guān)鍵詞：溫差電池；塞貝克效應；新型節(jié)能燃氣灶

1研制背景及意義

目前我國燃氣能源供應日趨緊張，僅就民用及商用燃氣需求而言，全國數(shù)以萬計的家庭、酒店、賓館和食堂等每日即需消耗數(shù)以萬立方計的燃氣。但傳統(tǒng)的燃氣設(shè)備普遍存在燃氣消耗量大，燃燒效率低，環(huán)境污染嚴重，熱能有效利用率低下等缺陷。目前，我國環(huán)境污染問題十分嚴重，溫室效應十分顯著。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)燃氣灶多柱火源燃燒改造成單柱懸浮燃燒的方式，使火力均勻分布在鍋底，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，通過風扇鼓風，進一步提高了燃燒效率，這項技術(shù)與其他的不同在于實現(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，當時的發(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、軍事以及遠洋探索領(lǐng)域已經(jīng)運用溫差發(fā)電技術(shù)。隨著科學技術(shù)的進步，其應用領(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。

進入21世紀以來，人類面臨能源枯竭和環(huán)境污染的危險，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、無噪音等優(yōu)點?？梢苑奖愕匕惭b在燃氣爐灶上，使燃氣爐灶的節(jié)能率、節(jié)時率和熱效率都有顯著提高。面對目前能源供應緊張的大趨勢，如果這種基于溫差電池的新型燃氣爐灶可以大力推廣，那么對于國家的經(jīng)濟、環(huán)境等多方面都有巨大的意義。

2 設(shè)計方案

2.1基于溫差電池（賽貝克效應）的新型節(jié)能燃氣灶結(jié)構(gòu)設(shè)計

一種基于溫差電池（賽貝克效應）的家用節(jié)能爐灶包括溫差電池、整流器、蓄電池、無葉鼓風風扇、普通節(jié)能燃氣灶。

2.1.1溫差電池原理

塞貝克效應，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：溫度不同的兩個金屬點相連，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，這就是塞貝克效應的實質(zhì)。不同種類的金屬導體接觸時，由于其自由電子密度有差異，電子擴散就會發(fā)生在兩種金屬的接觸面上。電子密度和電子的擴散速率有關(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能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。首先把電能儲存為化學能，電池沒有電后使其內(nèi)部活性物質(zhì)再生，需要時再放電。

2.1.4無葉風扇

無葉電風扇，沒有傳統(tǒng)風扇的扇葉。其原理是從底部的吸風孔先吸入空氣，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扇更平穩(wěn)。不會感到?jīng)_擊和刺激。無葉電風扇同時帶有變頻風速大小調(diào)節(jié)裝置，能耗低，約為普通風扇的50%。通過蓄電池給電，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的空氣流為燃氣灶鼓進充足空氣讓天然氣充分燃燒，提高燃燒效率。

2.2 溫差電池儲能

所研制的溫差電池儲能系統(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，由于半導體在使用壽命以及保護環(huán)境等方面擁有巨大優(yōu)勢，其成為現(xiàn)今溫差電池儲能中的最佳材料。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)電機發(fā)出的電能儲存在蓄電池中，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風扇提供電力。

2.2.1 溫差節(jié)能燃氣灶實驗模型制作詳解

（1）溫差電池儲能系統(tǒng)所使用的溫差電池（圖2）

2.2.2 溫差儲能實驗平臺使用方案

溫差電池儲能系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是發(fā)電、整流、儲能，當燃氣灶開始工作時，大量的余熱不能充分利用，通過導氣管導出的熱氣作為溫差電池的熱源，利用這些廢熱進行發(fā)電，通過整流器整流之后先存儲在蓄電池中，同時由蓄電池為無葉風扇提供電能，源源不斷地鼓進空氣使天然氣更加充分地燃燒。

2.2.3 溫差儲能實驗平臺分析

圖6為元件的原理圖。N型和P型半導體交替排列，每一對半導體的一端放置金屬導體片，另一端連接負載電阻R。當電流在負載電阻上通過時，必須使回路中產(chǎn)生溫差電動勢，即一側(cè)的溫度加熱至T1，而另一側(cè)加熱至T2時。根據(jù)塞貝克定律中α為電動勢率之和，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：1. 熱端吸收的珀爾帖熱Q1Q1=α2T1（T1-T0）/（R+r） ；2.熱端傳導到冷端的熱量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R=r時，在最大輸出功率的條件下，溫差電池的效率。

溫差發(fā)電機中的品質(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600℃。

3 技術(shù)經(jīng)濟分析

從表1可以看出，溫差節(jié)能燃氣灶可以大幅度提高燃燒率?？梢源蟠蠊?jié)省時間和金錢，同時對環(huán)境的影響和其他兩種燃氣灶相比，具有非常大的優(yōu)勢。

在我國，每天數(shù)以萬計的家庭、酒店、賓館、食堂需消耗數(shù)以萬立方計的燃氣，而采用此新型節(jié)能燃氣灶，將大大節(jié)省燃氣量。目前，中國已成為世界第四大天然氣消費國。2015年我國天然氣進口量達900億立方米。據(jù)專家預測，我國天然氣消耗量將在未來十年內(nèi)達到約3310億立方米，成為全球第二大天然氣消費國，占世界總消耗量的7%。面對這種局面，溫差節(jié)能燃氣灶的推廣使用，將會給國家節(jié)省上百億的資金，對于我國來說，意義十分巨大。

4 創(chuàng)新點及應用

基于溫差電池新型節(jié)能燃氣灶，將浪費的熱量轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，供給風扇從而實現(xiàn)給燃氣灶鼓風來提高燃燒效率的目的。與普通的節(jié)能燃氣灶相比，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，通過溫差儲能系統(tǒng)，鼓風，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，無論是家庭還是酒店，食堂都可以放心使用。全國數(shù)以萬計的家庭、酒店、賓館和食堂等每天即需消耗數(shù)以萬立方計的燃氣，而采用此新型節(jié)能燃氣灶，將大大節(jié)省燃氣量。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)能燃氣灶的節(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)實意義。

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