半导体温差自发电燃气热水器设计与性能研究

摘 要：一种高效节能的燃气热水器对环境改善和能源节约具有重要意义，本文设计了一种基于半导体温差发电的自发电燃气热水器装置，通过水冷散热和自主发电，提高了散热和温差发电的效率，同时解决了使用干电池带来的浪费和环境污染问题。本装置以半导体发电装置为核心，通过扁平冷热水管+温差发电模块构成的三明治结构维持较大的稳定温差，使输出功率更大、更稳定。本文研究成果可为低成本和高效节能自发电燃气热水器的设计与应用拓展新的思路。

关键词：半导体；自发电；温差发电；高效节能；燃气热水器

中图分类号：TM 23" " " " " " 文献标志码：A

半导体温差发电技术以其高效性、环保性、可持续性、灵活性以及可集成性，为能源转换和利用领域带来了新的可能性，在节能减排、推动可持续能源发展等方面持续发挥重要作用。1）半导体温差发电是一种能够将温差直接转为电能的技术，可有效提高能源利用效率。2）半导体温差发电不会产生污染物和温室气体排放，有助于降低碳排放和环境污染。3）半导体温差发电技术基于可再生热能资源，可为长期的能源需求提供可持续性的解决方案。4）半导体温差发电技术可与其他能源转换技术进行集成，实现能源的综合利用[1-2]。与传统的热机和热电联供系统相比，半导体温差发电器件具有更高的能量转换效率和更小的体积。本文设计了一种基于半导体温差发电的燃气热水器，并对半导体温差发电的原理、结构和性能做了相关研究，通过应用半导体温差发电技术和水冷散热技术，为实现稳定的热水供应和电压输出并提高能源利用率提供了一种更便捷和可持续的能源解决方案。

1 器件原理与设计

1.1 热水器结构

为了满足基于半导体自发电燃气热水器的设计要求[1-2]，

本文设计了一种自发电燃气热水器（如图1所示），主要由温差发电模块、燃烧器模块、直流风机、控制芯片、纯铜水箱、热水管、冷水管、连接件和接触腔构成。接触腔分别设置在温差发电模块两侧，两侧的接触腔分别与冷水管和热水管连接，连接件设置在两接触腔间，连接件将两接触腔和两接触腔所夹持的温差发电模块进行固定。在温差发电模块与接触腔的接触面上设置有导热硅胶[3-4]，用于辅助温差发电模块冷端散热。接触腔整体结构为正方体或立方体结构，在接触腔上分别设置与外界连通的第一连接管和第二连接管，第一连接管和第二连接管分别对称设置在接触腔的上、下两端面上，第一连接管和第二连接管突出于接触腔所在的壁面。燃烧器模块主要是为了对从外部热端输入的液体进行加热，从而为温差发电模块的热端提供持续的高温输入。进水管路通过半导体发电装置的低温端后与水箱连接。出水管路通过半导体发电装置的高温端对外供给热水，半导体发电装置与所述储能部连通。加热部设置在水箱下侧位置，方便给温差发电模块热端输入提供加热源。烟气排空部设置在水箱上部位置。储能部分分别通过线路与半导体发电装置、烟气排空部连接，其目的是利用温差发电模块的冷端和热端的温差发电，并进行存储与利用。

1.2 热水器设计原理

为解决现有技术中燃气热水器热电模块发电时散热不足、热端与冷端的温差不高，从而导致整体发电效率不高的问题[5-6]，本文在燃气热水器中引入温差发电模块，通过再次利用热水器工作中产生的热能，实现燃气热水器自发电，解决了使用干电池带来的环境污染和能源浪费问题。由半导体温差发电原理可知，温差发电模块的两端温差越大，发电模块输出的功率越大[7-8]。因为温差发电模块通常较薄，多数温差发电模块的厚度一般为5mm左右，同时低温端散热不足的话，会导致温差发电模块两端的温度差随设备启动时间增加而逐渐变小，最后低温端温度会逐渐趋于热端温度，从而导致温差发电模块整体输出功率随启动时间增加而逐渐变小。

基于此原理，本文所述温差发电模块的散热处采用恒流速的水冷散热，以使温差发电模块的冷端能够保持低温工作状态，从而使输出达到最高输出功率，除此之外，该设备还利用散热模块和温差发电模块构成三明治结构，由于该结构是将温差发电模块的冷端和热端分别夹在了恒流水冷散热和热水器的热端输入中间，因此才能够最大化热端和冷端的优点，使温差发电模块稳定在温差较大的工作环境中，从而有效提升温差发电模块的输出功率[9-10]。

1.3 具有三明治结构的温差发电模块

本文设计了扁平冷热水管+温差发电模块构成的三明治结构，利用燃气热水器自带的水冷散热产生的稳定温差，使其直流电输出功率保持较大且稳定（如图2所示）。同时，设计了包括蓄电池、充放电保护模块、控制芯片在内的控制电路与储能装置，延长了蓄电池的使用寿命[11-12]。接触腔上设置有与外界连通的第一连接管和第二连接管，分别对称设置在接触腔上、下两端面上，第一连接管和第二连接管突出于接触腔所在的壁面。通过第一连接管和第二连接管可以快捷地连接热水管路或冷水管路，简化整体组装，降低结构的复杂程度。第一连接管和第二连接管上设置有螺纹，可与外界管路进行稳定连接。连接件为连接板和连接螺栓。连接板分别与接触腔和温差发电模块连接，相邻的连接板通过连接螺栓进行锁定，可保证整体结构的稳定性。由于热水器有大小限制，因此本文将10块（30×30×3.6）mm的TEG-127微型温差发电片作为热水器的温差发电模块，单个发电片的热导率为2.18W/（m·K），负载功率为2.1W，输出电压为3.2V。其工作原理如下所示。打开热水器开关后，冷水经冷水管进入纯铜水箱，燃烧器将其持续加热至设定温度后，由热水管排出使用。由于温差发电模块两面涂敷导热硅胶并夹在扁平的水管接头中间，因此半导体发电模块热端、冷端的热水与冷水间产生温度差。根据半导体热电发电原理可知，在目前的热电制冷器件中最常用的半导体热电材料是碲化铋，通过掺杂得到p型和n型碲化铋块体或者器件单体。碲化铋晶体具有天然的各相异性，是良好的热电材料。

当有电流通过不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。如果电流从自由电子数较高的一端A流向自由电子数较低的一端B，B端的温度就会升高；反之，B端的温度就会降低。这一效应是可逆的，如果电流方向反过来，吸热就会转变为放热。实际应用中的热电模块一般包括2个或多个半导体电偶臂。将导电和导热性都比较好的导流片串联成一个单体。这些单体和导流片通常都被安装在2片陶瓷基板间。热电发电利用的是PN结发电原理。将PN结暴露在2种不同温度的热源间，当有热量传递时，电子和空穴的浓度在PN结两侧会发生差异，从而形成电势差并产生电流，将热能转化成电能。

在具有稳定温差的工作环境下，温差发电模块开始工作后会输出稳定的直流电，充放电保护模块和芯片控制系统对蓄电池当前电量进行判断，决定将直流电存储于蓄电池还是分给外界负载进行供电。

1.4 电能储存模块

电能储存模块示意图如图3所示。电能储存模块包括24V锂电池组、充放电保护模块和STM32F4系列控制芯片。24V锂电池组与充放电保护模块相连接，以避免热水器在工作中过充，对电池组进行保护。为了保证24V锂电池组电量充裕时能及时对外挂负载进行供电，STM32F4与充放电保护模块相连接，充放电保护模块通过线路与半导体发电装置进行连通，STM32F4通过线路与直流风机相连接[8]。STM32F4可将24V锂电池组的电量用于点火，并将直流风机用于排气。需要点火时，STM32F4通过充放电保护模块输出24V锂电池组的电量，以供点火装置使用。需要排气时，STM32F4可通过线路将电能转化为控制信号来控制线路连通，驱动直流风机进行排气操作，从而实现电能的实时储存和有效利用。此外，STM32F4还能判断24V锂电池组存储电量是否充满。当电池组存储的电已充满时，STM32F4会控制内部电路通、断，使当前产生的输出电量为外接负载供电，避免24V锂电池组过度充电、爆炸或漏液等风险。当24V锂电池组电量降至设定的最低值时，STM32F4会关断对直流风机等负载的供电开关，以保证24V锂电池组内剩余电量能够在下一次使用，即通过过充和过放来保护24V锂电池组，延长其使用寿命。

2 结果与讨论

2.1 运行流程

自发电燃气热水器运行流程图如图4所示。安装好本装置后按下启动开关，装置接收到开始信号后自检，自检完成后设备发出开始运行提示，设备正式开始运行。冷热双端同时开始向内部输入液体（水），此时冷水管直接向发电模块冷端输入，同时燃烧器对热端输入进行持续加热。在热量持续上升的过程中，当冷、热双端温差达到发电模块发电最低要求时，发电模块开始工作。发电模块开始缓慢地向电能储存模块输入电压。随着热端持续加热，半导体发电模块的输出也开始持续上升，直到热端达到设定的最高温度。此时冷、热双端的温差也达到设定最大值，发电模块的输出稳定在最大值，当电能储存模块电量充满时，将转换的电能输出至外接负载电源，同时热水器热端出水口开始流出可供使用的热水，至此整个自发电燃气热水器的一次工作完成。

2.2 试验数据与分析

为探究本装置集成水冷散热后的性能，在常温、常压下，对装置冷端分别进行气体（空气）输入和液体（水）输入的对比试验。为减少气温对试验结果的影响，分别在1d内的08：00—10：00、10：00—12：00、13：00—15：00和15：00—17：00采集本装置的双端温差、温度下降速度以及发电效率，相应试验结果如图5所示，4个时间段的平均数据见表1。其中，冷热端温度、电流和电压数据分别由红外线热成像仪（FLIR 6XT）和万用表（DELIXI DEM21）测量采集，发电效率如公式（1）所示。

（1）

式中：η为发电效率，η越高，表示半导体器件越能有效地将温差转化为电能；P为半导体输出功率；ΔT为两端的温度差；A为半导体材料有效面积。

根据图5和表1可知，与采用气体（空气）相比，采用液体（水）对发电模块进行降温能够得到更大的双端温差，双端平均温差由气体的19.5℃提升至液体的34.5℃。同时，平均降温速度也从0.42℃s-1加快至0.74℃s-1，从而使整体平均输出功率从58W提升至77W，提升幅度近24%，发电效率也从4.83%提升至7.4%。结果表明，与传统的气体降温相比，冷端采用液体降温即水冷散热，能够明显提升冷、热双端间的热量交换，有利于获得并维持更大的双端温差，从而提高装置的能源利用。

3 结论

作为日常家用电器，燃气热水器普及面广、使用率高，因此提高其能源利用率是促进节能减排、环境保护和可持续发展的有效手段。本文以半导体发电装置为核心，进行了水冷散热设计、保护模块电路设计以及能源存储模块设计。一方面，通过采用半导体自发电装置，解决了常规干电池点火带来的能源浪费和环境污染问题；另一方面，试验结果表明，运用水冷散热，可有效增加冷、热双端间的温差，加快双端间的能量交换，提高装置的发电效率。此外，运用电路保护模块，可减少长时间工作导致的电路元器件损坏。使用储能模块，可实现电能在点火或排风间的智能分配。本文的研究结果将为自发电燃气热水器成本控制和高效节能的设计与应用提供新的思路。

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通信作者：肖冠南（1992-），男，四川安县人，成都职业技术学院，讲师，博士，研究方向为能量存储与转换材料/器件。

电子邮箱：455832552@qq.com。