基于热电效应的燃气灶电打火供电装置的研究

陈高远 高翰林 鞠松林 余文轩 李坤林

摘要：本文主要阐述了一种集成了燃气余热回收、温差发电、相变蓄热、传热材料等多项技术，且便于安装的附加装置，利用燃气灶的余热发电，来减少燃气灶电打火装置的电量和电池消耗。

关键词：燃气灶；温差发电；热电效应；相变蓄热；髙导热材料

中图分类号：TM913

如今，能源技术的发展严重受制于能源的短缺，这一问题已经十分突出，社会发展消耗了大量的化石能源的同时，还带来了大量的环境污染问题。能源问题和环境问题已经称为各国不得不面对的重大社会问题。

随着科技的日新月异，家用燃气灶走进了千家万户。但在为日常生活提供方便的同时，还带来了大量的能源浪费。国家发改委2004年发布的《节能中长期专项规划》中提出，到2010年，家用燃气灶热效率需达到60%～65%.但是，国家燃气用具质量监督检验中心的检测结果显示，目前我国台式燃气灶的热效率普遍为55%～58%，至于嵌入式燃气灶的热效率普遍都在52%～55%，热效率超过60% 的燃气灶具比例不到1%[1]

由此，我们想到是否可以利用燃气灶的余热发电，来减少燃气灶电打火装置的电量和电池消耗。为此引进温差发电的相关理论。

1 相关技术简介

（1）温差发电技术。

温差发电主要利用热电效应，通过热电转换材料实现电能与热能之间的转化，热电转换材料有三个基本效应，即：Seebeck（塞贝克）效应、Thomson（汤姆逊）效应 、Politer（珀耳帖）效应。

温差发电技术是利用温差电材料的塞贝克效应直接将热能转换成电能的一种新型 清洁能源技术，使用温差发电技术的温差发电器具有结构简单，无运动部件，无污染， 无噪声，使用寿命长等优点，可将低品味的热能（如工业废热，发动机余热等）回收重利 用以提高能源使用效率。

a.塞贝克效应。

由兩种不同导体（或半导体）组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度TI、T2时，回路中将有电流流过，此回路称热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势，此效应称为塞贝克效应.热电回路中存在热电动势E^B，将回路断开，断开处便出现电势差△U=Uab，△U与△T有关（△T=T1-T2），当△T很小时，△V与△T成正比关系，b.温差发电片结构。

如下图所示。温差发电片由碲化铋合金制成的n型半导体和p型半导体，通过焊锡连接在金属片上，构成一个回路，外壳用陶瓷保护，边缘有些型号使用硅胶封装，在回路两端通过导线引出电流。当有温差时，基于赛贝克效应，在回路之间就会产生电动势。

（2）髙导热材料。

在本小组的装置中主要运用了两种：髙导热石墨和髙导热硅胶。

a.髙导热石墨。

髙导热石墨是一种全新的导热散热材料，利用石墨独特的层片状分子结构，使其组为一种非金属材料，却有良好的导电性，导热性，同时化学稳定性良好，还具有润滑性，良好的可塑性等一些良好的工艺性能。通过化学方法高温高压下得到的石墨化薄膜，具有独特的晶粒取向，可以在平面内沿两个方向均匀导热，导热系数可达1200W/m·K，是铜的3-4倍。片层状结构可很好地适应任何表面，产品均匀散热的同时也在厚度方面提供热隔离，屏蔽热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能。因此导热石墨在电子，通信，照明，航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。

b.髙导热硅脂。

在散热时，温度较高的热源需要和散热的髙导热石墨紧密接触，髙导热石墨的散热效果才能达到最佳。但由于加工精度的限制，实际使用时热源和髙导热石墨之间总会留有空隙，这些空隙被空气填充，而空气却是热的不良导体，导热系数只有0.024-0.031W/m·K，这就造成了髙导热石墨良好的导热性难以发挥，导热效率大大降低。而髙导热硅脂就就是一种高导热率的界面材料，用于消除见面之间的空隙，排除空气。高导热硅脂是一类以硅油为基体、导热粉体为填料（主要是金属，金属氧化物，或是石墨，碳化硅等导热性良好的非金属粉末），并添加功能助剂，经混合研磨加工而成的产品，其导热系数可达4 W/m·K以上，用以填充热源于散热器之间的空隙，可大大提升散热效率。

c.相变蓄热。

相变蓄热是通过材料的相变来储存热量的理论。当晶体材料发生相变如凝固或液化会吸收大量的能量并且在此过程中温度不会发生明显的变化。这在工业生产中，是一个非常有利的优点。通过相变的方式，在工业中可以比较方便的控制相变体系反应的大概温度和时间，使系统能保持在一个较为恒定的温度。应用于温差发电装置时，可以比较方便的维持温差发电片冷热端的温度，使温差发电片等发出较为稳定的电流，并持续足够的时间。上文在余雪妹等人的研究小组中使用的液浴控温法在原理上有些相似。液浴控温法是通过水的液-气相变来散热，但由于水蒸发相变为气体是体积膨胀过大，难以存放在同一容器内，所以并不能持续的维持温度。在实际工业生产中，应用得最多的还是固-液相变蓄热。通过选择合适的相变蓄热材料，可以把系统的温度控制在熔点左右。

相变蓄热在实际应用中还有一个难题，那就是封装问题。如果使用传统的封装方式，封装的容器比较大，心部难以融化，会造成储能效果和恒温效果下降。但现在可以用高分子材料把相变材料封装近直径1-100微米的微胶囊中，使得相变材料在发生固-液转变时，材料的外皮仍为固态，这就大大提高了相变系统的导热性，扩大了相变材料的应用范围。本例中通过大相变蓄热微胶囊混合进油和水中，可以达到良好的蓄热恒温效果。

本文提供了一种这类温差发电装置的利用方向，通过让耗能较少的耗能器使用这些较为零碎的能源来让诸如温差发电，压力发电这样的能源也能真正为节能减排做出贡献，这也可能是未来这一产业的发展方向之一。

参考文献：

[1]李雪晴.一种充分利用热能的温差发电燃气灶.物理技术研究，2016（3）：111-112.

[2]余雪妹.燃气灶余热发电的制作研究.物理教师，2016，37（2）：54-57.

[3]郑宇康.基于温差发电技术的节能环保燃气灶的研制.中国新技术新产品，2016，11（上）：91-92.

[4]范平.柔性薄膜温差发电装置.装置专利 CN 204614820 U.