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(nèi)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(nèi)、外水箱溫度、電流、電壓。結果：普通燃氣灶具內(nèi)水溫總和：7319.5℃，節(jié)能環(huán)保燃氣灶具內(nèi)水溫總和：7592.9℃，二者總溫差：273.4℃。節(jié)能環(huán)內(nèi)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(jīng)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(nèi)圓外方。節(jié)能環(huán)的主要結構：內(nèi)、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?qū)峁柚?。?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(nèi)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(nèi)水箱（3）、溫差發(fā)電片（4）及外水箱（5）組成，內(nèi)、外兩層水箱分別連接進水管（11）、（13）及出水管（12）、（14）。內(nèi)、外水箱內(nèi)分別設有溫度傳感器（6）、（7），內(nèi)層水箱還設有通氣孔（19），內(nèi)層水箱（3）內(nèi)面設有灶具支架（18），使灶具（17）與內(nèi)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(nèi)水箱（3）為熱水箱，外水箱（5）為冷水箱，內(nèi)、外水箱的溫差使溫差發(fā)電片產(chǎn)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(nèi)、外水箱由于存在溫度差不恒定，半導體溫差發(fā)電模塊產(chǎn)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(nèi)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(nèi)、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(nèi)水溫總和：7319.5℃，節(jié)能環(huán)保燃氣灶具內(nèi)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(nèi)水溫開始緩慢下降，3000s，二者溫差達3.2℃；節(jié)能環(huán)內(nèi)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(nèi)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(jīng)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(nèi)、外兩層不相通水箱中間夾有溫差發(fā)電片，其作用是：①內(nèi)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(nèi)水溫總和：7319.5℃，節(jié)能環(huán)保燃氣灶具內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)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.

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