基于熱電效應的燃氣灶電打火供電裝置的研究

陳高遠 高翰林 鞠松林 余文軒 李坤林

摘要：本文主要闡述了一種集成了燃氣余熱回收、溫差發電、相變蓄熱、傳熱材料等多項技術，且便于安裝的附加裝置，利用燃氣灶的余熱發電，來減少燃氣灶電打火裝置的電量和電池消耗。

關鍵詞：燃氣灶；溫差發電；熱電效應；相變蓄熱；髙導熱材料

中圖分類號：TM913

如今，能源技術的發展嚴重受制于能源的短缺，這一問題已經十分突出，社會發展消耗了大量的化石能源的同時，還帶來了大量的環境污染問題。能源問題和環境問題已經稱為各國不得不面對的重大社會問題。

隨著科技的日新月異，家用燃氣灶走進了千家萬戶。但在為日常生活提供方便的同時，還帶來了大量的能源浪費。國家發改委2004年發布的《節能中長期專項規劃》中提出，到2010年，家用燃氣灶熱效率需達到60%～65%.但是，國家燃氣用具質量監督檢驗中心的檢測結果顯示，目前我國臺式燃氣灶的熱效率普遍為55%～58%，至于嵌入式燃氣灶的熱效率普遍都在52%～55%，熱效率超過60% 的燃氣灶具比例不到1%[1]

由此，我們想到是否可以利用燃氣灶的余熱發電，來減少燃氣灶電打火裝置的電量和電池消耗。為此引進溫差發電的相關理論。

1 相關技術簡介

（1）溫差發電技術。

溫差發電主要利用熱電效應，通過熱電轉換材料實現電能與熱能之間的轉化，熱電轉換材料有三個基本效應，即：Seebeck（塞貝克）效應、Thomson（湯姆遜）效應 、Politer（珀耳帖）效應。

溫差發電技術是利用溫差電材料的塞貝克效應直接將熱能轉換成電能的一種新型 清潔能源技術，使用溫差發電技術的溫差發電器具有結構簡單，無運動部件，無污染， 無噪聲，使用壽命長等優點，可將低品味的熱能（如工業廢熱，發動機余熱等）回收重利 用以提高能源使用效率。

a.塞貝克效應。

由兩種不同導體（或半導體）組成的閉合回路，當兩接點保持在不同溫度TI、T2時，回路中將有電流流過，此回路稱熱電回路，回路中出現的電流稱為熱電流，回路中出現的電動勢稱為塞貝克電動勢，此效應稱為塞貝克效應.熱電回路中存在熱電動勢E^B，將回路斷開，斷開處便出現電勢差△U=Uab，△U與△T有關（△T=T1-T2），當△T很小時，△V與△T成正比關系，b.溫差發電片結構。

如下圖所示。溫差發電片由碲化鉍合金制成的n型半導體和p型半導體，通過焊錫連接在金屬片上，構成一個回路，外殼用陶瓷保護，邊緣有些型號使用硅膠封裝，在回路兩端通過導線引出電流。當有溫差時，基于賽貝克效應，在回路之間就會產生電動勢。

（2）髙導熱材料。

在本小組的裝置中主要運用了兩種：髙導熱石墨和髙導熱硅膠。

a.髙導熱石墨。

髙導熱石墨是一種全新的導熱散熱材料，利用石墨獨特的層片狀分子結構，使其組為一種非金屬材料，卻有良好的導電性，導熱性，同時化學穩定性良好，還具有潤滑性，良好的可塑性等一些良好的工藝性能。通過化學方法高溫高壓下得到的石墨化薄膜，具有獨特的晶粒取向，可以在平面內沿兩個方向均勻導熱，導熱系數可達1200W/m·K，是銅的3-4倍。片層狀結構可很好地適應任何表面，產品均勻散熱的同時也在厚度方面提供熱隔離，屏蔽熱源與組件的同時改進消費類電子產品的性能。因此導熱石墨在電子，通信，照明，航空及國防軍工等許多領域都得到了廣泛的應用。

b.髙導熱硅脂。

在散熱時，溫度較高的熱源需要和散熱的髙導熱石墨緊密接觸，髙導熱石墨的散熱效果才能達到最佳。但由于加工精度的限制，實際使用時熱源和髙導熱石墨之間總會留有空隙，這些空隙被空氣填充，而空氣卻是熱的不良導體，導熱系數只有0.024-0.031W/m·K，這就造成了髙導熱石墨良好的導熱性難以發揮，導熱效率大大降低。而髙導熱硅脂就就是一種高導熱率的界面材料，用于消除見面之間的空隙，排除空氣。高導熱硅脂是一類以硅油為基體、導熱粉體為填料（主要是金屬，金屬氧化物，或是石墨，碳化硅等導熱性良好的非金屬粉末），并添加功能助劑，經混合研磨加工而成的產品，其導熱系數可達4 W/m·K以上，用以填充熱源于散熱器之間的空隙，可大大提升散熱效率。

c.相變蓄熱。

相變蓄熱是通過材料的相變來儲存熱量的理論。當晶體材料發生相變如凝固或液化會吸收大量的能量并且在此過程中溫度不會發生明顯的變化。這在工業生產中，是一個非常有利的優點。通過相變的方式，在工業中可以比較方便的控制相變體系反應的大概溫度和時間，使系統能保持在一個較為恒定的溫度。應用于溫差發電裝置時，可以比較方便的維持溫差發電片冷熱端的溫度，使溫差發電片等發出較為穩定的電流，并持續足夠的時間。上文在余雪妹等人的研究小組中使用的液浴控溫法在原理上有些相似。液浴控溫法是通過水的液-氣相變來散熱，但由于水蒸發相變為氣體是體積膨脹過大，難以存放在同一容器內，所以并不能持續的維持溫度。在實際工業生產中，應用得最多的還是固-液相變蓄熱。通過選擇合適的相變蓄熱材料，可以把系統的溫度控制在熔點左右。

相變蓄熱在實際應用中還有一個難題，那就是封裝問題。如果使用傳統的封裝方式，封裝的容器比較大，心部難以融化，會造成儲能效果和恒溫效果下降。但現在可以用高分子材料把相變材料封裝近直徑1-100微米的微膠囊中，使得相變材料在發生固-液轉變時，材料的外皮仍為固態，這就大大提高了相變系統的導熱性，擴大了相變材料的應用范圍。本例中通過大相變蓄熱微膠囊混合進油和水中，可以達到良好的蓄熱恒溫效果。

本文提供了一種這類溫差發電裝置的利用方向，通過讓耗能較少的耗能器使用這些較為零碎的能源來讓諸如溫差發電，壓力發電這樣的能源也能真正為節能減排做出貢獻，這也可能是未來這一產業的發展方向之一。

參考文獻：

[1]李雪晴.一種充分利用熱能的溫差發電燃氣灶.物理技術研究，2016（3）：111-112.

[2]余雪妹.燃氣灶余熱發電的制作研究.物理教師，2016，37（2）：54-57.

[3]鄭宇康.基于溫差發電技術的節能環保燃氣灶的研制.中國新技術新產品，2016，11（上）：91-92.

[4]范平.柔性薄膜溫差發電裝置.裝置專利 CN 204614820 U.