基于温差发电技术的节能环保燃气灶的研制

郑宇康邹明烨王本阳郑奎生

（1.威海市第二中学，山东 威海 264200；2.威海市第一中学，山东 威海 264200；3.哈尔滨工业大学（威海）光电科学系，山东 威海 264200；4.威海市市级机关卫生所，山东 威海 264200）

基于温差发电技术的节能环保燃气灶的研制

郑宇康1邹明烨2王本阳3郑奎生4

（1.威海市第二中学，山东 威海 264200；2.威海市第一中学，山东 威海 264200；3.哈尔滨工业大学（威海）光电科学系，山东 威海 264200；4.威海市市级机关卫生所，山东 威海 264200）

目的：探讨节能环保燃气灶研制及应用。方法：将双灶头燃气灶的一侧按照节能环保燃气灶的设计方案改造，在两侧灶具内加入等重的水，加热相同时间。间隔30s记录两灶具水温、节能环内、外水箱温度、电流、电压。结果：普通燃气灶具内水温总和：7319.5℃，节能环保燃气灶具内水温总和：7592.9℃，二者总温差：273.4℃。节能环内水箱温度总和：7217.1℃；外水箱温度总和：5044℃，二者温差：2173.1℃；总电流：5.2021A，总电压：64.6515V，发电总量：0.00003121kWh。结论：节能环保燃气灶具有升温快、降温慢、热能利用率高、节能、环保、安全等特点。

温差发电；节能环；燃气灶

节能与环保是21世纪人类面临的严重问题。中国正处在持续发展的关键阶段，开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。同时，通过节能可以节约大量燃料，对于降低我国在二氧化碳，二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。现有的燃气灶，热利用率较低，只是利用火焰上方热能，其火焰周围热能没有很好地利用，造成热能大量浪费。并且经常出现忘记关闭燃气灶开关造成糊锅的现象，有时甚至引发火灾。

本研究的目的在于解决现有技术的不足：（1）将传统燃气灶灶具支架升级改造为“节能环”；（2）增加预约定时火力控制功能；（3）充电、LED灯照明、音乐MP3播放功能。节能环的作用是：①将燃气灶的火焰外围热能储存；②利用温差发电技术将部分热能转变成电能，为燃气灶自身供电，并可以为家用小电器充电，多余电能通过蓄电池储存。预约定时火力控制功能：利用多通道定时器、电磁阀分别定时控制燃气灶火力大小，到时自动关闭燃气灶，增加燃气灶的安全性。LED灯照明、MP3播放音乐增加操作者的舒适性及乐趣。

1.材料与方法

1.1一般资料

采用双灶头燃气灶，将一侧灶头按照节能环保燃气灶的设计方案改造。节能环规格：315*315*40mm，形状为内圆外方。节能环的主要结构：内、外两层不相通水箱中间夹有温差发电片，温差发电片两侧分别涂匀导热硅脂。节能环4面共用温差发电片26片，温差发电片采用串联。半导体温差发电片型号：SP1848-27145-SA。

1.2方法

节能环保燃气灶的设计：其内部结构与外部形态如图1、图2所示。燃气灶主要由灶体（1）、节能环（2）两部分组成，节能环主要由内水箱（3）、温差发电片（4）及外水箱（5）组成，内、外两层水箱分别连接进水管（11）、（13）及出水管（12）、（14）。内、外水箱内分别设有温度传感器（6）、（7），内层水箱还设有通气孔（19），内层水箱（3）内面设有灶具支架（18），使灶具（17）与内层水箱（3）之间存在间隙，灶具与火焰接触面更大，可以更好地吸收热能。内水箱（3）为热水箱，外水箱（5）为冷水箱，内、外水箱的温差使温差发电片产生电能，通过升压、稳压控制电路板（9）为蓄电池（10）充电，然后通过负载开关（8）控制LED灯（15）、音乐MP3（16）。燃气灶还设有火力控制开关（20）、定时开关（21）。

图1　多功能节能燃气灶结构示意图

图2　燃气灶节能环上视图

内、外水箱由于存在温度差不恒定，半导体温差发电模块产生的压差也不稳定，不能满足蓄电池充电电路的要求。为此，首先须对电压进行稳压处理，然后用稳定的电压给蓄电池充电电路提供电能。下面具体分析温差发电片为蓄电池充电、负载供电的工作原理。如图3所示。

将相同的两个灶具内加入相同重量水2200mL，相同火力加热1200s，关火继续监测1800s。间隔30s记录两灶具水温、节能环内、外水箱温度、电流、电压。并计算出3000s温差发电总量。具体实验数据如图4所示。

图3　温差发电片为蓄电池充电、负载供电框图

图4　普通燃气灶与节能环保燃气灶实验数据平滑线散点图

图5　

2.结果

普通燃气灶具内水温总和：7319.5℃，节能环保燃气灶具内水温总和：7592.9℃，二者总温差：273.4℃。二者温差270s达到最大20.3℃，630s～1200s二者温度最高达到平衡。1200s关闭燃气灶，两灶具内水温开始缓慢下降，3000s，二者温差达3.2℃；节能环内水箱温度总和：7217.1℃；外水箱温度总和：5044℃，二者温差：2173.1℃；总电流：5.2021A，总电压：64.6515V，发电总量：0.00003121kWh。后面温差逐步减小，发电量较少，没有继续监测。

3.讨论

国际上，美、日两国是目前对热电材料与工程研究投入最多的国家之一。国内对半导体致冷现象和应用研究具有一定水平。温差发电技术目前主要用于油田、野外、军事等领域。该项目的另一市场化领域在于将发电装置用于太阳能、地热、工业废能等的利用，使热能直接转化为电能。

热电现象本身是可逆的，温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面，互相可逆。可同一个PN结，若施加温差则可用来发电，若对其通电，则可用于在一端致冷。半导体温差发电模块是根据塞贝克效应制成的，即把两种半导体的接合端置于高温，处于低温环境的另一端就可得到电动势：

式中：α为塞贝克系数，其单位为V/K.塞贝克系数α是由材料本身的电子能带结构决定的。半导体温差发电片，是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置，它无需化学反应且无机械移动部分，因而具有无噪音，无污染，无磨损，重量轻，使用寿命长等优点。随着能源的短缺及人们不断提高的环境保护意识，特别是全球气候变暖问题，半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注。因此温差发电技术具有很好的推广和实用价值。

目前已有商品器件和设备出售，但对温差发电方面研究相对落后，温差发电技术在日常生活中应用也相对较少。温差发电技术应用于燃气灶的报道相对更少，现有的燃气灶，热利用率较低，造成热能大量浪费。燃气灶功能单一，加热时间及加热模式不能很好地选择，遇到煲汤或炖肉等加热时间较长模式时，就要不停进出厨房关注燃气灶，经常出现忘记关闭燃气灶开关而造成糊锅的现象，浪费能源，有时甚至引发火灾。

本研究的目的在于发明一种节能、环保、安全的燃气灶，并将温差发电技术应用于燃气灶。其核心技术：（1）将传统燃气灶灶具支架升级改造为“节能环”；（2）预约定时火力控制功能；（3）增加充电、LED灯照明和音乐MP3播放等功能。节能环的主要结构为：内、外两层不相通水箱中间夹有温差发电片，其作用是：①内水箱将燃气灶火焰外围热能储存，并为温差发电片提供热源。水箱里的热水达到100℃可以饮用，也可以与供暖设备、热水器等设备连接。燃气灶停止加热，水箱的热能还可以反作用于灶具，起到文火加热、食物保温的效果，可大大节约燃料。②利用温差发电技术将部分热能转变成电能，并通过蓄电池保存。预约定时火力控制功能：根据食材需要预设火力大小及时间。譬如，煲汤预计40min，可预约定时10min大火，30min小火，40min后自动关闭燃气灶，既节约燃料，解放劳动力，又增加燃气灶的安全性。LED灯照明、MP3播放音乐增加操作者的舒适性及乐趣。下面通过一组实验数据证明该燃气灶的节能特性。普通燃气灶具内水温总和：7319.5℃，节能环保燃气灶具内水温总和：7592.9℃，二者总温差：273.4℃，节能环保燃气灶热利用率提高3%；二者温差270s达到最大为20.3℃，630s～1200s二者温度达到平衡，节能环保燃气灶有升温快的特点；1200s后关闭燃气灶，两灶具内水温开始缓慢下降，3000s，二者温差达3.2℃，节能环保燃气灶有降温慢的特点；节能环内水箱温度总和：7217.1℃；外水箱温度总和：5044℃，二者温差：2173.1℃；总电流：5.2021A，总电压：64.6515V，发电总量：0.00003121kWh。节能环保燃气灶较普通燃气灶具有升温快、降温慢的特点，还具有热能利用率高，节能、环保、安全等功能。

当然该研究项目还有很多方面需要改进：（1）如何使温差发电模块输出稳定的电压、电流。由于温度差不稳定，半导体温差发电模块产生的压差也不稳定，不能满足蓄电池充电电路的要求。（2）温差发电模块的材料还需要进一步完善，使其耐受温差更大、性能更稳定。（3）温差发电片实际发电量较标准发电量相差较大，实验方法、步骤还有待进一步完善。这些不足都是今后不断研究、改进的方向。

随着保护环境、节约能源的呼声越来越高，利用温差发电将会是未来发展的一个方向，从小型器件到大型电站，将越来越多地把实验室理论应用到实践中去。温差发电技术还可以应用其他行业，像酒店、供暖公司的炉灶、锅炉等都可以应用到这项技术。

[1]何元金，陈宏，陈默轩.温差发电—一种新型绿色的能源技术[J].工科物理，2000（2）：36-41.

[2]屈健，李茂德，乐伟，等.半导体温差发电器的工作性能优化[J].低温工程，2005，144（2）：20-23.

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