摘要：本文提出了一个基于塞贝克效应利用燃气灶余热发电的设计方案，将燃气灶的部分余热转化为电能，并储存起来。通过两种沸点不同的液体作为冷热端以保持较为稳定的温差，利用其温差发电。
关键词：余热发电；塞贝克效应；温差电池
1、研究背景及意义
目前，家用的燃气灶作为我国家庭中普及率最高的，使用最方便的一种灶具，它的热工性能，即热负荷和热效率越来越受到人们的重视。2008年5月1日开始实施的GB16410-2007要求嵌入式燃气灶热效率应当大于等于50%，台式灶应当大于等于55%，同时规定，热负荷偏差应该控制在±10%以内。而我国普及的家用燃气灶中热效率超过60%的燃气灶具比例还没达到到1%，这一现状与日本、美国等发达国家将近80%的节能型燃气灶具的普及率相比差距甚远。热效率低导致有很多多余的燃气热量都消散在空气中被浪费，所以我们打算设计利用燃气灶余热发电的方案，并对其可行性进行探究，并希望通过这个方案有效的提高燃气的利用率和为今后这方面的研究提供思路与想法。
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。
我国既是能源的生产大国，也是能源的生产大国。全国数量巨大的燃气灶的使用过程中，损失的热量再利用技术的发展，可以节省的能量将非常可观，在能源储量日渐下降的今天，这项技术可有效地缓解这严峻的形势。
2、设计方案
2.1余热发电的新型燃气灶整体结构设计
如图1一种基于温差发电技术的新型燃气炉，其主要结构是由燃气炉，温差发电装置，升压模块，蓄电装置。
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图1 新型燃气灶结构示意图
2.2 温差发电装置
2.2.1 基本原理
塞贝克效应，是指由两种不同的导体或半导体组成的闭合回路，且二者的接触点的温度存在差异，此时两接触点间会产生温差电动势，回路中也会产生热电流。另外，回路的电流、电压与回路温差正相关。
2.2.2 基本结构
采用如图2所示六边形柱体结构将燃气灶炉火包围起来。该柱体分为内侧高温部分和外侧低温部分，而内外两侧接触面中填有30个串联的温差发电片（规格40*40*4mm）。其中，内侧高温部分中充满了沸点在200℃左右的液体，充当温度稳定的高温热端；外侧的低温部分中充满了沸点100℃的水，充当冷端，用以维持半导体冷热两端温差在100℃左右。
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图2 温差发电装置
2.3 升压模块
可将低直流电压提升为高直流电压。本设计采用输入电压为2V~24V,输出电压为5V~28V的可调节输出电压的小型升压模块。
2.4 蓄电装置
可将直流电能以化学能的形式储存起来。本设计采用6V、4A的蓄电池。
3、实验数据及其可行性分析
3.1 实验数据
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以上展示了一个温差发电片在不同温差下生成的电压和电流，由此可知热电动势与热电流均与温差成正比，故温差越大，发电量越多，余热利用率就越高。但是，由于受到半导体技术的制约，半导体温差发电片不能承受210℃以上的高温。所以从经济性和安全性考虑，本设计将热端温度控制在200℃，冷热端温差维持在100℃左右。在该情况下，一个温差发电片的功率大概在3W，则30个发电片的功率可达到90W，再通过升压模块，便可给蓄电装置充电，让蓄电池把电能储存起来，以供其他用电器使用。
3.2 可行性分析
首先，此次设计，从结构上看，将30个半导体温差发电片均匀的放置于两个六边形柱体之间，本设计方案使得内侧柱体、温差发电片、外侧柱体三者基本无缝的结合在一起，体积小巧，便于安装。
然后，从余热利用方面上看，本设计方案通过塞贝克效应搭建了热能向电能转化的桥梁，并利用液体达到沸点后温度不变这一原理，创新性的采用两种沸点不同的液体，让其分别作为热端与冷端，以维持温差发电片热冷端具有较大的相对稳定的温差，保证了发电装置能产生较为稳定的电流与电压。
最后，将发电装置与升压模块连接，再将升压模块与蓄电装置相连，使较低的温差电压通过升压模块升高至蓄电装置的额定电压，并通过蓄电装置将电能储存起来，以供其他用电器使用。
4、结语
我国人口众多，每日的燃气消耗量十分巨大，而且燃气为一次能源不可再生，故节能与提高能源利用率迫在眉睫。研究如何提高燃气灶的热效率，回收利用燃气燃烧时的中低温余热，减少能源浪费，最大化的利用能源，对当今严峻的能源形势具有十分重要的现实意义。
参考文献
[1]朱小良，方可人.《热工测量及仪表》（第三版）[M].中国电力出版社.
作者简介
刘国龙（1996-10-06），男，汉族，籍贯：河南省新乡市，当前职务：学生，当前职称：学生，学历：大学本科，研究方向：能源与动力工程（热动）。
论文作者:刘国龙,姚世界
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
标签：温差论文; 余热论文; 燃气灶论文; 电压论文; 装置论文; 柱体论文; 贝克论文; 《电力设备》2018年第22期论文;