一种基于温差电池（塞贝克效应）的新型节能燃气灶

吴旭

摘 要：本作品是一种基于温差电池（塞贝克效应）的新型节能燃气灶。使得炉灶能够最大化的利用流失的热量实现鼓风，从而提高炉灶对燃料的利用率。在炉灶外火盖周围用防火材料做成的聚火罩上用导热管将流失的热量导出，导出热能由温差电池（利用温度差异，使热能直接转化为电能的装置）转换为电能，安装在灶底的风扇利用这部分电能将空气鼓入灶内，提高燃烧率。一种基于温差电池（塞贝克效应）的家用节能炉灶，包括温差电池（塞贝克效应）、整流器、蓄电池、鼓风风扇、普通节能燃气灶。

关键词：温差电池；塞贝克效应；新型节能燃气灶

1研制背景及意义

目前我国燃气能源供应日趋紧张，仅就民用及商用燃气需求而言，全国数以万计的家庭、酒店、宾馆和食堂等每日即需消耗数以万立方计的燃气。但传统的燃气设备普遍存在燃气消耗量大，燃烧效率低，环境污染严重，热能有效利用率低下等缺陷。目前，我国环境污染问题十分严重，温室效应十分显著。如果家用、商用的节能灶大力推广，可以给国家省下大量的能源，使废气排放量大大降低。

目前市场使用的普通节能炉灶，主要通过将传统燃气灶多柱火源燃烧改造成单柱悬浮燃烧的方式，使火力均匀分布在锅底，高温全部集中于锅底，其热量大部分被锅底吸收，从而减少了热量损失。但是，即使这样也会有45%左右的热量白白损失。而基于温差电池的新型节能炉灶，是在普通节能炉灶的基础上，把损失的热量利用起来，通过风扇鼓风，进一步提高了燃烧效率，这项技术与其他的不同在于实现了能量使用率的最大化。

前苏联在1942年研制出世界上首台温差发电机，当时的发电效率约为1.5%—2%。此后，随着各国工业的发展，各领域对电力资源的需求呈几何增长。因此，温差发电技术得到巨大发展。从1960年开始，航空航天、军事以及远洋探索领域已经运用温差发电技术。随着科学技术的进步，其应用领域逐渐拓宽，除了军事和高科技领域外，民用、轻工业等领域也有了较好的发展。

进入21世纪以来，人类面临能源枯竭和环境污染的危险，因此，各国对清洁能源和再生能源发电方面研究投入巨大财力和物力，许多成果已经开始商用化。温差电池的技术性能稳定，有体积小、重量轻、无振动、无噪音等优点。可以方便地安装在燃气炉灶上，使燃气炉灶的节能率、节时率和热效率都有显著提高。面对目前能源供应紧张的大趋势，如果这种基于温差电池的新型燃气炉灶可以大力推广，那么对于国家的经济、环境等多方面都有巨大的意义。

2 设计方案

2.1基于溫差电池（赛贝克效应）的新型节能燃气灶结构设计

一种基于温差电池（赛贝克效应）的家用节能炉灶包括温差电池、整流器、蓄电池、无叶鼓风风扇、普通节能燃气灶。

2.1.1温差电池原理

塞贝克效应，英文名称为Seebeck effect，它是指由于温度差异而产生的热电现象。电流的出现方法可以简要概括为：温度不同的两个金属点相连，组成回路，利用这种方式产生的电流叫做热电流。金属的电子逸出功和有效电子密度决定了接触电势差，而接触电势差的产生源于两种不同的金属的互相接触，这就是塞贝克效应的实质。不同种类的金属导体接触时，由于其自由电子密度有差异，电子扩散就会发生在两种金属的接触面上。电子密度和电子的扩散速率有关并和接触区域的温度成正比。因此，温差电池就是利用温度差异使热能直接转化为电能的装置。

2.1.2整流器

整流器是一种将交流电转化为直流电的装置。它除了能给负载供电的功能外，还可以为蓄电池充电。

2.1.3蓄电池

蓄电池是一种把化学能转化为电能的装置。首先把电能储存为化学能，电池没有电后使其内部活性物质再生，需要时再放电。

2.1.4无叶风扇

无叶电风扇，没有传统风扇的扇叶。其原理是从底部的吸风孔先吸入空气，圆环内部的叶轮把空气以圆形轨迹喷出，使其喷出空气的轨迹大致为圆形，利用这种方式产生的空气流比普通风扇更平稳。不会感到冲击和刺激。无叶电风扇同时带有变频风速大小调节装置，能耗低，约为普通风扇的50%。通过蓄电池给电，能够产生稳定的空气流为燃气灶鼓进充足空气让天然气充分燃烧，提高燃烧效率。

2.2 温差电池储能

所研制的温差电池储能系统主要有三部分构成，分别为温差电池、整流器、蓄电池。在制造便携电源中，由于半导体在使用寿命以及保护环境等方面拥有巨大优势，其成为现今温差电池储能中的最佳材料。只要保持组件两面的温度差异为600℃，就可发出3.5V的电压，0.6A的电流。在小于180℃的热面上，发电组件可以稳定的贴在表面上，需要注意的是，应该均匀地给发电组件受热。此外，为了保证把传过来的热量随时带走，必须在冷面中安装散热片，并采取一些其他的冷却措施以提高效果，保持组件两面间的温差。整流器将输出值控制在一定范围之内，由此可以安全便捷地将温差发电机发出的电能储存在蓄电池中，蓄电池选择规格为6V /5A的锂电池，可以很好地给无叶鼓风风扇提供电力。

2.2.1 温差节能燃气灶实验模型制作详解

（1）温差电池储能系统所使用的温差电池（图2）

2.2.2 温差储能实验平台使用方案

温差电池储能系统主要由三部分构成，分别是发电、整流、储能，当燃气灶开始工作时，大量的余热不能充分利用，通过导气管导出的热气作为温差电池的热源，利用这些废热进行发电，通过整流器整流之后先存储在蓄电池中，同时由蓄电池为无叶风扇提供电能，源源不断地鼓进空气使天然气更加充分地燃烧。

2.2.3 温差储能实验平台分析

图6为元件的原理图。N型和P型半导体交替排列，每一对半导体的一端放置金属导体片，另一端连接负载电阻R。当电流在负载电阻上通过时，必须使回路中产生温差电动势，即一侧的温度加热至T1，而另一侧加热至T2时。根据塞贝克定律中α为电动势率之和，r为两臂的内阻之和。r=（ρ1/s1+ρ2/s2）中，ρ表示两臂的电阻率、s表示横截面积，温差发电效率的定义是外电路中得到的有用电能与热源所消耗的能量之比。热源消耗的能量包括以下几项：1. 热端吸收的珀尔帖热Q1Q1=α2T1（T1-T0）/（R+r） ；2.热端传导到冷端的热量QmQm=K（T1-T0） 3. 温差电池内，焦耳热从电流I中流过，其中1/5的热量转移到热端中，从而把功率还给热源。温差材料的品质因数为，当R=r时，在最大输出功率的条件下，温差电池的效率。

温差发电机中的品质因数Z由于热端和冷端温度和温差发电材料产生，Z值还对温度有强烈的依赖性，所以不同的工作温度需要不同的材料来匹配。我们使用温差发电材料为PbTe合金，用康铜片连接，其热端温度可达600℃。

3 技术经济分析

从表1可以看出，温差节能燃气灶可以大幅度提高燃烧率。可以大大节省时间和金钱，同时对环境的影响和其他两种燃气灶相比，具有非常大的优势。

在我国，每天数以万计的家庭、酒店、宾馆、食堂需消耗数以万立方计的燃气，而采用此新型节能燃气灶，将大大节省燃气量。目前，中国已成为世界第四大天然氣消费国。2015年我国天然气进口量达900亿立方米。据专家预测，我国天然气消耗量将在未来十年内达到约3310亿立方米，成为全球第二大天然气消费国，占世界总消耗量的7%。面对这种局面，温差节能燃气灶的推广使用，将会给国家节省上百亿的资金，对于我国来说，意义十分巨大。

4 创新点及应用

基于温差电池新型节能燃气灶，将浪费的热量转化为电能储存起来，供给风扇从而实现给燃气灶鼓风来提高燃烧效率的目的。与普通的节能燃气灶相比，它很好的吸收了锅底吸收不到的那部分热量，将其有效地利用，通过温差储能系统，鼓风，提高烧效率。大大节省了家庭、酒店、食堂等的用气量。由于有安全、无噪音、稳定等这些优点，无论是家庭还是酒店，食堂都可以放心使用。全国数以万计的家庭、酒店、宾馆和食堂等每天即需消耗数以万立方计的燃气，而采用此新型节能燃气灶，将大大节省燃气量。从全国范围来看，可以非常有效地缓解我国用气紧张的问题。而且可以减少温室气体的排放量。

综上所述，此新型节能燃气灶的节能方式区别于传统技术，无论对普通家庭还是酒店，食堂等都可以节省很大一笔开销。对于国家来说，更是具有非常重要的现实意义。

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