基于塞贝克效应的热电节能灶台的设计
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发布者：王一鸣 牛洪馨 叶羿辰
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时间：2022年7月07日 16:30
（300222 天津职业技术师范大学 自动化与电气工程学院 天津）
【摘 要】当前正处于第四次工业化阶段，全球对能源的需求越来越大。然而，能源消耗形势严峻，各种能源逐渐枯竭，非可再生能源的低效率使用不仅浪费了能源，并且加剧了环境污染。为了改善这一现状，提高能源利用效率，针对燃气灶废热这一问题，设计了基于塞贝克效应的热电节能灶台。利用塞贝克效应，在同一电路中，用不同的双金属组成热-电半导体元件。在燃烧天然气过程中，利用两个半导体元件间的温差产生电压，形成电位差，并将电能储存起来。该设计实现了将灶台产生的余热转化为电能并将产生的电能储存起来的功能，对环境污染和节省社会能源生了极大的影响。
【关键词】塞贝克效应；温差发电；节能
1概述
塞贝克效应温差发电是一种新式的环境友善型能源技术,打破了传统燃气灶不节约能源的缺点，可以将废热转换为电能。塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。因此可将塞贝克效应应用于灶台，将灶台产生的余热转化为电能，并储存起来进行再利用，从而达到节能的要求。目前在国内外还没有将塞贝克效应应用于灶台的例子。
利用塞贝克效应制成的设备具有使用寿命长，不易磨损老化等优点。但受材料的限制，导致利用塞贝克原理进行温差发电的效率不是很高，所以在早些时候，利用温差发电的产品在国内外都没有发展的迹象。最近几年，奥地利维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授领衔的研究团队实现了温差发电材料的关键性能指标——热电优值系数（ZT 值）的翻倍：他们开发的热电材料具有高达 5 到 6 的热电优值系数，而之前最好的材料一般也只有大约 2.5 到 2.8。ZT 值的跨越式提升，意味着温差发电的效率将有望和一些传统发电技术的效率一较高下，在发电、制冷、供暖、医疗、可穿戴设备等许多领域，都有着显而易见的广阔的应用前景，是业界期待已久、如今终于得偿所愿的重要技术突破。
本文设计了基于塞贝克效应的热电转换装置,实现了温差发电。半导体温差发电设备体积小、运行无噪音、工作寿命长、无污染。随着对热电转换材料研究深入和热电材料性能的提高，温差发电技术将会得到广泛的应用，这给生活和生产能带来巨大改变。
基于塞贝克效应的热电节能灶台的优点是无需复杂的设备装置，只要这种叫做“热电材料”的特殊材料，在其两端施加以温度差就可以让这种材料发出一定功率的电能。因此基于塞贝克效应的热电节能灶台在灶台节约非可再生资源方面有重大意义。
2基于塞贝克效应的热电节能灶台的设计
2.1整体设计
基于塞贝克效应的热电节能灶台的设计一共包括四部分，分别为：燃气灶、塞贝克热电节能装置、蓄电池、导线。
2.2塞贝克热电节能装置设计
塞贝克热电节能装置将热能转化为电能。它能把热能直接转换为电能，而无须像传统热电站那样必须经过机械能量的转换(透平机或汽轮机、发电机)。它的发电原理是根据塞贝克现象,即在同一回路中,由不同的双金属2个连接点之间的温差产生电压,这种热—电半导体元件的上、下温差即正极和负极,形成电位差,从而发电。这种发电装置不存在驱动部分,属于静止状态下的新型发电方式,也不会有故障。它的耐温性能高达500℃,低温侧却只有20℃,最大输出功率密度高达1W/cm~2以上,只需1个模块即可产生大量热能。塞贝克热电节能装置采用钼合金和铜作为两个半导体，钼合金的耐热系数高，最高耐热温度可达2000摄氏度，这是普通的材料所不能比的，而常温下铜的是1.8μV/K，所以采用钼合金和铜作为两个半导体材料，在温度方面是可行的。热电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点。
图1 塞贝克效应原理图
通过增大输出功率和减少转换当中不必要的能量消耗来提高热电的转换效率，使废热所携带的能量充分的转化成电能。 其中增大输出功率主要是通过扩大冷端和热端的温差来增大产生的电压。经过文献调查研究，为了增加冷热两端的温差，首先选择钼合金和铜作为冷热两端的材料，因为利用该热电材料制成的温差电偶能够承载较大的温差，可测量温度范围为－180℃到+2000℃，其制成的测量精度为－180℃到+2000℃完全可用于灶台，且能准确将余热转换为电能。其次灶台内部采用内包裹状的设计，增大灶台内部与外焰的接触面姐，并且将装置设置为外孔数多于内孔数，增大氧气的流通量，达到提高热端温度的目的。第三选择接近于该装置内部阻值的负载电阻接入电路，以此达到提高输出功率的目的 。
3总结
该设计的主要功能是完成热能转化为电能，且在提高热能转化为电能的效率上，选择耐高温、导电性、耐腐蚀性的材料，使得该设计具有节约能源、使用寿命长的优势。设计可大大提高资源的利用效率，减轻能源浪费给国家带来的负担，同时也是普通家具向智能家具的创新性的转变。
参考文献：
[1]李佳.利用塞贝克效应将热能直接转换为电能[J].工科技Ⅱ辑·电力工业；·《电气技术》，2004（12）：36-37[2]黄文灵.小型温差发电装置的设计及实现[D].成都：电子科技大学，2017
基金项目：
国家级大学生创新创业训练计划项目”基于塞贝克效应的热电节能灶台的设计“（202010066021）。
