一種充分利用熱能的溫差發(fā)電燃?xì)庠?

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(湖北文理學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院　湖北 襄陽(yáng)　441053)

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一種充分利用熱能的溫差發(fā)電燃?xì)庠?

李雪晴徐婉昕朱巧珍黃 齊李 希胡安正

(湖北文理學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院湖北 襄陽(yáng)441053)

摘 要：現(xiàn)今，能源危機(jī)和環(huán)境污染的問(wèn)題日益嚴(yán)重，節(jié)能環(huán)保成為人們關(guān)注的話(huà)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(yáng)能、地?zé)崮?、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(guò)利用兩種不同類(lèi)型的熱電轉(zhuǎn)換材料兩端產(chǎn)生溫差進(jìn)而形成電勢(shì)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?xì)庠?，不僅提高了原燃?xì)庠顚?duì)燃?xì)獾睦寐剩疫€能將燃?xì)庥酂徂D(zhuǎn)化為電能．

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電熱電轉(zhuǎn)換材料電勢(shì)差 燃?xì)庠?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(fèi)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?xì)鉄幔覈?guó)燃?xì)庑枨罅亢艽骩1]，很多燃?xì)庠钌a(chǎn)廠(chǎng)家都在努力改造燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)形式來(lái)提高熱效率，但是效果卻不是很理想．國(guó)家發(fā)改委2004年發(fā)布的《節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》中提出，到2010年，家用燃?xì)庠顭嵝市柽_(dá)到60%～65%．但是，國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)結(jié)果顯示，目前我國(guó)臺(tái)式燃?xì)庠畹臒嵝势毡闉?5%～58%，至于嵌入式燃?xì)庠畹臒嵝势毡槎荚?2%～55%，熱效率超過(guò)60%的燃?xì)庠罹弑壤坏?%．因此我們認(rèn)為是否可以研制一種裝置，既能提高燃?xì)庠顚?duì)燃?xì)獾睦寐剩帜軐⑷細(xì)庥酂徂D(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?xì)庠詈芎玫慕鉀Q了這一問(wèn)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(lái)利用塞貝克效應(yīng)[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(dǎo)熱性能的不同可以適應(yīng)于不同的溫度和溫差環(huán)境，由于半導(dǎo)體材料的熱點(diǎn)優(yōu)值比普通金屬的要大，所以通常采用半導(dǎo)體材料作為熱電材料來(lái)提高溫差發(fā)電的效率．同時(shí)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電[4]具有體積小、重量輕、無(wú)噪聲、無(wú)污染、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)介質(zhì)泄漏等特點(diǎn)．

2燃?xì)庠羁傮w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(diǎn)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(guò)穩(wěn)壓模塊來(lái)達(dá)到輸出穩(wěn)定電壓的目的，利用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)來(lái)提高燃?xì)獾睦寐剩畠?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(jì)思路框圖如圖1所示．

圖1　裝置設(shè)計(jì)思路

3燃?xì)庠铍娐愤B接

該燃?xì)庠畹陌l(fā)電實(shí)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?xì)庠畹膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及效果分析

4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1

4.2功能特點(diǎn)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(diǎn)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(dá)到沸點(diǎn)，而外層液體溫度基本不變，此時(shí)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(dá)2W，一個(gè)裝置便可輸出40~50W的功率，輸出的電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定后，可為部分家電供電．

5燃?xì)庠畹膭?chuàng)新點(diǎn)

(1)本裝置利用溫差發(fā)電的物理原理，實(shí)現(xiàn)熱能向電能的轉(zhuǎn)化，既極大提高了燃?xì)鉄崮艿睦寐?，又?jié)能環(huán)保[5]；

(2)利用液體沸點(diǎn)不變的物理原理，確保發(fā)電片冷熱端有穩(wěn)定的溫差，達(dá)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?xì)饣鹈缰車(chē)牟讳P鋼容器，既能大大提高燃?xì)饣鹈绲睦眯?，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(yǔ)

本文提出的這種溫差發(fā)電裝置具有無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、無(wú)噪聲等特點(diǎn)，符合當(dāng)代節(jié)能環(huán)保的主題，同時(shí)，該裝置特殊的環(huán)形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也進(jìn)一步提高了燃?xì)獾睦寐剩送?，溫差發(fā)電技術(shù)還可以利用不同等級(jí)和形式的熱能，靈活應(yīng)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(huì)充分應(yīng)用于我們的生活當(dāng)中，讓我們的未來(lái)變得更加美好．

參 考 文 獻(xiàn)

1劉勇,趙忠德,李廣,王占黎,楊義,張高杰.我國(guó)城市燃?xì)庑袠I(yè)天然氣利用現(xiàn)狀與展望.國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，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(jì)與制作.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014,10(10):259～261

3陳國(guó)慶,寧鐸,梁棟平,文婷.半導(dǎo)體溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)儀器的研制.電子器件，2014,37(2)：275～278

4王長(zhǎng)宏,林濤,曾志環(huán).半導(dǎo)體溫差發(fā)電過(guò)程的模型分析與數(shù)據(jù)仿真.物理學(xué)報(bào)，2014,63(19):197～201

5胡偉平,劉偉軍,徐承隆.汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電器換熱通道強(qiáng)化換熱性能的數(shù)值模擬.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014(04):156～161

(收稿日期：2015-12-08)

*湖北文理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助，編號(hào)：201510519013, 201510519084

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