半導體溫差自發電燃氣熱水器設計與性能研究

摘 要：一種高效節能的燃氣熱水器對環境改善和能源節約具有重要意義，本文設計了一種基于半導體溫差發電的自發電燃氣熱水器裝置，通過水冷散熱和自主發電，提高了散熱和溫差發電的效率，同時解決了使用干電池帶來的浪費和環境污染問題。本裝置以半導體發電裝置為核心，通過扁平冷熱水管+溫差發電模塊構成的三明治結構維持較大的穩定溫差，使輸出功率更大、更穩定。本文研究成果可為低成本和高效節能自發電燃氣熱水器的設計與應用拓展新的思路。

關鍵詞：半導體；自發電；溫差發電；高效節能；燃氣熱水器

中圖分類號：TM 23" " " " " " 文獻標志碼：A

半導體溫差發電技術以其高效性、環保性、可持續性、靈活性以及可集成性，為能源轉換和利用領域帶來了新的可能性，在節能減排、推動可持續能源發展等方面持續發揮重要作用。1）半導體溫差發電是一種能夠將溫差直接轉為電能的技術，可有效提高能源利用效率。2）半導體溫差發電不會產生污染物和溫室氣體排放，有助于降低碳排放和環境污染。3）半導體溫差發電技術基于可再生熱能資源，可為長期的能源需求提供可持續性的解決方案。4）半導體溫差發電技術可與其他能源轉換技術進行集成，實現能源的綜合利用[1-2]。與傳統的熱機和熱電聯供系統相比，半導體溫差發電器件具有更高的能量轉換效率和更小的體積。本文設計了一種基于半導體溫差發電的燃氣熱水器，并對半導體溫差發電的原理、結構和性能做了相關研究，通過應用半導體溫差發電技術和水冷散熱技術，為實現穩定的熱水供應和電壓輸出并提高能源利用率提供了一種更便捷和可持續的能源解決方案。

1 器件原理與設計

1.1 熱水器結構

為了滿足基于半導體自發電燃氣熱水器的設計要求[1-2]，

本文設計了一種自發電燃氣熱水器（如圖1所示），主要由溫差發電模塊、燃燒器模塊、直流風機、控制芯片、純銅水箱、熱水管、冷水管、連接件和接觸腔構成。接觸腔分別設置在溫差發電模塊兩側，兩側的接觸腔分別與冷水管和熱水管連接，連接件設置在兩接觸腔間，連接件將兩接觸腔和兩接觸腔所夾持的溫差發電模塊進行固定。在溫差發電模塊與接觸腔的接觸面上設置有導熱硅膠[3-4]，用于輔助溫差發電模塊冷端散熱。接觸腔整體結構為正方體或立方體結構，在接觸腔上分別設置與外界連通的第一連接管和第二連接管，第一連接管和第二連接管分別對稱設置在接觸腔的上、下兩端面上，第一連接管和第二連接管突出于接觸腔所在的壁面。燃燒器模塊主要是為了對從外部熱端輸入的液體進行加熱，從而為溫差發電模塊的熱端提供持續的高溫輸入。進水管路通過半導體發電裝置的低溫端后與水箱連接。出水管路通過半導體發電裝置的高溫端對外供給熱水，半導體發電裝置與所述儲能部連通。加熱部設置在水箱下側位置，方便給溫差發電模塊熱端輸入提供加熱源。煙氣排空部設置在水箱上部位置。儲能部分分別通過線路與半導體發電裝置、煙氣排空部連接，其目的是利用溫差發電模塊的冷端和熱端的溫差發電，并進行存儲與利用。

1.2 熱水器設計原理

為解決現有技術中燃氣熱水器熱電模塊發電時散熱不足、熱端與冷端的溫差不高，從而導致整體發電效率不高的問題[5-6]，本文在燃氣熱水器中引入溫差發電模塊，通過再次利用熱水器工作中產生的熱能，實現燃氣熱水器自發電，解決了使用干電池帶來的環境污染和能源浪費問題。由半導體溫差發電原理可知，溫差發電模塊的兩端溫差越大，發電模塊輸出的功率越大[7-8]。因為溫差發電模塊通常較薄，多數溫差發電模塊的厚度一般為5mm左右，同時低溫端散熱不足的話，會導致溫差發電模塊兩端的溫度差隨設備啟動時間增加而逐漸變小，最后低溫端溫度會逐漸趨于熱端溫度，從而導致溫差發電模塊整體輸出功率隨啟動時間增加而逐漸變小。

基于此原理，本文所述溫差發電模塊的散熱處采用恒流速的水冷散熱，以使溫差發電模塊的冷端能夠保持低溫工作狀態，從而使輸出達到最高輸出功率，除此之外，該設備還利用散熱模塊和溫差發電模塊構成三明治結構，由于該結構是將溫差發電模塊的冷端和熱端分別夾在了恒流水冷散熱和熱水器的熱端輸入中間，因此才能夠最大化熱端和冷端的優點，使溫差發電模塊穩定在溫差較大的工作環境中，從而有效提升溫差發電模塊的輸出功率[9-10]。

1.3 具有三明治結構的溫差發電模塊

本文設計了扁平冷熱水管+溫差發電模塊構成的三明治結構，利用燃氣熱水器自帶的水冷散熱產生的穩定溫差，使其直流電輸出功率保持較大且穩定（如圖2所示）。同時，設計了包括蓄電池、充放電保護模塊、控制芯片在內的控制電路與儲能裝置，延長了蓄電池的使用壽命[11-12]。接觸腔上設置有與外界連通的第一連接管和第二連接管，分別對稱設置在接觸腔上、下兩端面上，第一連接管和第二連接管突出于接觸腔所在的壁面。通過第一連接管和第二連接管可以快捷地連接熱水管路或冷水管路，簡化整體組裝，降低結構的復雜程度。第一連接管和第二連接管上設置有螺紋，可與外界管路進行穩定連接。連接件為連接板和連接螺栓。連接板分別與接觸腔和溫差發電模塊連接，相鄰的連接板通過連接螺栓進行鎖定，可保證整體結構的穩定性。由于熱水器有大小限制，因此本文將10塊（30×30×3.6）mm的TEG-127微型溫差發電片作為熱水器的溫差發電模塊，單個發電片的熱導率為2.18W/（m·K），負載功率為2.1W，輸出電壓為3.2V。其工作原理如下所示。打開熱水器開關后，冷水經冷水管進入純銅水箱，燃燒器將其持續加熱至設定溫度后，由熱水管排出使用。由于溫差發電模塊兩面涂敷導熱硅膠并夾在扁平的水管接頭中間，因此半導體發電模塊熱端、冷端的熱水與冷水間產生溫度差。根據半導體熱電發電原理可知，在目前的熱電制冷器件中最常用的半導體熱電材料是碲化鉍，通過摻雜得到p型和n型碲化鉍塊體或者器件單體。碲化鉍晶體具有天然的各相異性，是良好的熱電材料。

當有電流通過不同導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。如果電流從自由電子數較高的一端A流向自由電子數較低的一端B，B端的溫度就會升高；反之，B端的溫度就會降低。這一效應是可逆的，如果電流方向反過來，吸熱就會轉變為放熱。實際應用中的熱電模塊一般包括2個或多個半導體電偶臂。將導電和導熱性都比較好的導流片串聯成一個單體。這些單體和導流片通常都被安裝在2片陶瓷基板間。熱電發電利用的是PN結發電原理。將PN結暴露在2種不同溫度的熱源間，當有熱量傳遞時，電子和空穴的濃度在PN結兩側會發生差異，從而形成電勢差并產生電流，將熱能轉化成電能。

在具有穩定溫差的工作環境下，溫差發電模塊開始工作后會輸出穩定的直流電，充放電保護模塊和芯片控制系統對蓄電池當前電量進行判斷，決定將直流電存儲于蓄電池還是分給外界負載進行供電。

1.4 電能儲存模塊

電能儲存模塊示意圖如圖3所示。電能儲存模塊包括24V鋰電池組、充放電保護模塊和STM32F4系列控制芯片。24V鋰電池組與充放電保護模塊相連接，以避免熱水器在工作中過充，對電池組進行保護。為了保證24V鋰電池組電量充裕時能及時對外掛負載進行供電，STM32F4與充放電保護模塊相連接，充放電保護模塊通過線路與半導體發電裝置進行連通，STM32F4通過線路與直流風機相連接[8]。STM32F4可將24V鋰電池組的電量用于點火，并將直流風機用于排氣。需要點火時，STM32F4通過充放電保護模塊輸出24V鋰電池組的電量，以供點火裝置使用。需要排氣時，STM32F4可通過線路將電能轉化為控制信號來控制線路連通，驅動直流風機進行排氣操作，從而實現電能的實時儲存和有效利用。此外，STM32F4還能判斷24V鋰電池組存儲電量是否充滿。當電池組存儲的電已充滿時，STM32F4會控制內部電路通、斷，使當前產生的輸出電量為外接負載供電，避免24V鋰電池組過度充電、爆炸或漏液等風險。當24V鋰電池組電量降至設定的最低值時，STM32F4會關斷對直流風機等負載的供電開關，以保證24V鋰電池組內剩余電量能夠在下一次使用，即通過過充和過放來保護24V鋰電池組，延長其使用壽命。

2 結果與討論

2.1 運行流程

自發電燃氣熱水器運行流程圖如圖4所示。安裝好本裝置后按下啟動開關，裝置接收到開始信號后自檢，自檢完成后設備發出開始運行提示，設備正式開始運行。冷熱雙端同時開始向內部輸入液體（水），此時冷水管直接向發電模塊冷端輸入，同時燃燒器對熱端輸入進行持續加熱。在熱量持續上升的過程中，當冷、熱雙端溫差達到發電模塊發電最低要求時，發電模塊開始工作。發電模塊開始緩慢地向電能儲存模塊輸入電壓。隨著熱端持續加熱，半導體發電模塊的輸出也開始持續上升，直到熱端達到設定的最高溫度。此時冷、熱雙端的溫差也達到設定最大值，發電模塊的輸出穩定在最大值，當電能儲存模塊電量充滿時，將轉換的電能輸出至外接負載電源，同時熱水器熱端出水口開始流出可供使用的熱水，至此整個自發電燃氣熱水器的一次工作完成。

2.2 試驗數據與分析

為探究本裝置集成水冷散熱后的性能，在常溫、常壓下，對裝置冷端分別進行氣體（空氣）輸入和液體（水）輸入的對比試驗。為減少氣溫對試驗結果的影響，分別在1d內的08：00—10：00、10：00—12：00、13：00—15：00和15：00—17：00采集本裝置的雙端溫差、溫度下降速度以及發電效率，相應試驗結果如圖5所示，4個時間段的平均數據見表1。其中，冷熱端溫度、電流和電壓數據分別由紅外線熱成像儀（FLIR 6XT）和萬用表（DELIXI DEM21）測量采集，發電效率如公式（1）所示。

（1）

式中：η為發電效率，η越高，表示半導體器件越能有效地將溫差轉化為電能；P為半導體輸出功率；ΔT為兩端的溫度差；A為半導體材料有效面積。

根據圖5和表1可知，與采用氣體（空氣）相比，采用液體（水）對發電模塊進行降溫能夠得到更大的雙端溫差，雙端平均溫差由氣體的19.5℃提升至液體的34.5℃。同時，平均降溫速度也從0.42℃s-1加快至0.74℃s-1，從而使整體平均輸出功率從58W提升至77W，提升幅度近24%，發電效率也從4.83%提升至7.4%。結果表明，與傳統的氣體降溫相比，冷端采用液體降溫即水冷散熱，能夠明顯提升冷、熱雙端間的熱量交換，有利于獲得并維持更大的雙端溫差，從而提高裝置的能源利用。

3 結論

作為日常家用電器，燃氣熱水器普及面廣、使用率高，因此提高其能源利用率是促進節能減排、環境保護和可持續發展的有效手段。本文以半導體發電裝置為核心，進行了水冷散熱設計、保護模塊電路設計以及能源存儲模塊設計。一方面，通過采用半導體自發電裝置，解決了常規干電池點火帶來的能源浪費和環境污染問題；另一方面，試驗結果表明，運用水冷散熱，可有效增加冷、熱雙端間的溫差，加快雙端間的能量交換，提高裝置的發電效率。此外，運用電路保護模塊，可減少長時間工作導致的電路元器件損壞。使用儲能模塊，可實現電能在點火或排風間的智能分配。本文的研究結果將為自發電燃氣熱水器成本控制和高效節能的設計與應用提供新的思路。

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通信作者：肖冠南（1992-），男，四川安縣人，成都職業技術學院，講師，博士，研究方向為能量存儲與轉換材料/器件。

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