一種利用煙氣余熱的溫差發電系統

宋涵 方泓堃

摘 要：介紹了一種新型的溫差發電模塊，并在此基礎上構建了一套利用煙氣余熱的小型發電系統，可以直接運用在農村的爐灶煙氣排氣筒上，其產生的電能可以直接用于給小型電子設備供電，或給蓄電池充電等。其中為了使輸出功率最大，考察和設計了發電模塊的組合排列方式，為了使冷端迅速降溫設計了相關的噴水降溫模塊和相關自動控制電路，此外設計了相關升壓穩壓電路，用于給日常電子設備和蓄電池充電和供電。

關鍵詞：溫差發電；煙氣余熱；自動降溫；穩壓電路

1 引言

溫差發電器模塊是一種利用溫差直接將熱能轉化為電能的全固態能量轉化發電裝置，它無需化學反應且無機械移動部分，因而具有無噪音、無污染、無磨損、重量輕、使用壽命長等種種優點，被廣泛地用于工業余熱、廢熱的回收利用、航天輔助電力系統等。隨著能源的短缺及人們不 斷提高的環境保護意識 ， 特別是全球氣候變暖問題，半導體溫差發電技術以其各種優點越來越引起人們的關注

溫差發電是利用兩種連接起來的導電體或者半導體的塞貝克效應（SeebeckEffect），將熱能轉換成電能的一種技術。由兩種不同類型的半導體構成的回路如圖1，當裝置的一端處于高溫狀態另一端置于低溫狀態下，就會在回路中形成電動勢：

ε=αs（T2-T1）

（1）式中：T1為低溫端溫度，K；T2為高溫端溫，K；αs為所用熱電轉換材料的塞貝克系數，V/K。 在應用時多個PN結串聯起來，構成一個熱電轉換模塊（見圖2），目前已有產品面市。例如SP11848-27145型號的40×40mm的溫差發電片，該模塊能在-20℃到150℃的溫度范圍內有效地進行熱電轉換，輸出功率為0.2～3.5W。

2 利用煙氣余熱的發電系統設計

該發電系統主要與四大模塊組成：發電模塊、升壓穩壓模塊、儲能模塊和自動噴水降溫模塊。發電模塊將溫度較高（100～200℃）的煙氣筒壁作為高溫熱源，散熱端用以鋁制散熱片外加相應的自動噴水冷卻系統將溫度維持在60℃左右，從而制造較大的溫差（>=40℃），提高發電功率和效率。發電模塊產生的不穩定的低電壓經過專用的穩壓電路板，能夠以直流5v穩壓輸出，并配以USB接口，可以對充電寶，手機，小功率led燈等小功率電器進行充電，其余電能儲存在儲能模塊的蓄電池中。其中，自動噴水冷卻模塊能量來源為自身發電，整體不需要另外的能源輸入。依靠相應的溫度開關和控制電路，能夠實現完全自主的噴水降溫，并且在降溫的同時也一定程度上增加了室內空氣濕度，起到加濕作用。

2.1 發電模塊

發電模塊的核心為半導體溫差發電片。考慮到成本和性價比問題，該設備選用的是市場有售的SP11848-27145型號的40×40mm的溫差發電片。考慮到煙筒壁為曲面，為保證發電片熱端能均勻受熱，將兩組發電片用導熱膠帶貼于40×150mm的鋁制散熱板上，作為一組發電板。其中每組發電板的兩塊發電片串聯連接，該裝置共用四組發電板，采用環繞方式固定于煙筒一周。兩組發電板之間串聯聯連接，然后再并聯連接。經過實驗測試，這種連接方式輸出功率最大。四組發電板環繞煙筒一周，用熱硅膠固定于煙筒上。火爐在滿狀態工作時，下部的煙筒壁溫度可達120～150℃，因此煙筒壁為一個很理想的熱源。

2.2 升壓穩壓模塊

升壓模塊使用的控制芯片為碩芯科技的SX1308 DC-DC升壓芯片，電路設計如電路圖2.2。該電路可以將1-5v的直流輸入轉化為5v直流穩壓輸出。因為大多數常用小功率電子設備的輸入電壓均為5v，加上輸出端直接為USB接口，其可直接為許多小功率電子設備，如充電寶、手機等充電，或者直接作為led燈的電源，并且可以直接為自動噴水降溫裝置進行供電。在不額外加負載的情況下，所產生的電能將儲存在最上方的蓄電池中。

2.3 自動噴水降溫模塊

在進行試驗時發現，如果只靠散熱片與空氣進行熱交換來進行散熱，散熱片溫度隨著時間增加甚至能達到80～90℃，散熱效率很低，發電能力下降。所以應添加自動噴水降溫裝置。

該裝置主要由儲水罐，微型小功率水泵，PVC水管，四個噴頭和控制電路組成半柱體空間內加水，口下方為柱形儲水罐，另一側空間放置控制電路和水泵。

控制電路原理圖如電路圖2.3所示

小水泵M選用型號為WAJ280的5v直流微型水泵，溫度開關為一種用雙金屬片作為感溫元件的溫度開關，電器正常工作時，雙金屬片處于自由狀態，觸點處于閉合/斷開狀態，當溫度升高至動作溫度值t（70℃）時，雙金屬元件受熱產生內應力而迅速動作，打開/閉合觸點，切斷/接通電路。此溫度開關附著于散熱片外側。

實現自動控制的原理：當散熱片溫度高于設定值時，溫度開關斷開，三極管集電極正偏，三極管處于發大或飽和狀態，此時水泵M工作，四個噴頭噴水，散熱片降溫，指示燈LED0發光。當散熱片溫度低于設定值t時，溫度開關接通，三極管集電極—發射集短接，三極管處于截止狀態，水泵M停止工作，噴頭停止噴水降溫，指示燈熄滅。如此以往，實現自動噴水

降溫。

3 發電效果

根據上面的設計，在火爐全火力工作時，熱端溫度可達120～150 ℃，冷端溫度在60～70℃，在無穩壓電路時，得到輸出開路電壓為7v左右，在接入穩壓模塊和蓄電池時，匹配輸出電壓可穩定在5V，輸出電流可達0.6A，功率達到3W。

4 結束語

該套裝置將溫差發電引用到家庭余熱發電的領域上，從最日常生活中開始節能減排。此外，自動噴水降溫模塊的閉環反饋電路，可實現完全自主的自動冷卻降溫，該電路模型有著十分廣闊的運用空間。該套裝置無需改動原有火爐結構，可直接作為一套嵌入性裝置加裝在排氣管道上。另外考慮到本設計體積小、重量輕、無運動部件。該裝置可以直接作為獨立組件向所有用火爐取暖的地區進行推廣。

參考文獻

[1] 趙建云. 溫差發電技術的研究進展及現狀[J]. 綜述，2010 年03期

[2] 張一鵬. 低碳經濟背景下的新能源開發和利用[J]. 中外能源. 2010（11）

作者簡介

宋涵（1996-），西北工業大學 動力與能源學院 自動化專業。