1、1一种利用烟气余热的温差发电系统摘 要：介绍了一种新型的温差发电模块，并在此基础上构建了一套利用烟气余热的小型发电系统，可以直接运用在农村的炉灶烟气排气筒上，其产生的电能可以直接用于给小型电子设备供电，或给蓄电池充电等。其中为了使输出功率最大，考察和设计了发电模块的组合排列方式，为了使冷端迅速降温设计了相关的喷水降温模块和相关自动控制电路，此外设计了相关升压稳压电路，用于给日常电子设备和蓄电池充电和供电。 关键词：温差发电；烟气余热；自动降温；稳压电路 1 引言 温差发电器模块是一种利用温差直接将热能转化为电能的全固态能量转化发电装置，它无需化学反应且无机械移动部分，因而具有无噪音、无污染、无
2、磨损、重量轻、使用寿命长等种种优点，被广泛地用于工业余热、废热的回收利用、航天辅助电力系统等。随着能源的短缺及人们不 断提高的环境保护意识 ， 特别是全球气候变暖问题，半导体温差发电技术以其各种优点越来越引起人们的关注 温差发电是利用两种连接起来的导电体或者半导体的塞贝克效应（SeebeckEffect） ，将热能转换成电能的一种技术。由两种不同类型的半导体构成的回路如图 1，当装置的一端处于高温状态另一端置于低温状态下，就会在回路中形成电动势： 2=s（T2-T1） （1）式中：T1 为低温端温度，K；T2 为高温端温，K；s 为所用热电转换材料的塞贝克系数，V/K。 在应用时多个 PN 结
3、串联起来，构成一个热电转换模块（见图 2） ，目前已有产品面市。例如 SP11848-27145 型号的 4040mm 的温差发电片，该模块能在-20到 150的温度范围内有效地进行热电转换，输出功率为 0.23.5W。 2 利用烟气余热的发电系统设计 该发电系统主要与四大模块组成：发电模块、升压稳压模块、储能模块和自动喷水降温模块。发电模块将温度较高（100200）的烟气筒壁作为高温热源，散热端用以铝制散热片外加相应的自动喷水冷却系统将温度维持在 60左右，从而制造较大的温差（=40） ，提高发电功率和效率。发电模块产生的不稳定的低电压经过专用的稳压电路板，能够以直流 5v 稳压输出，并配以
4、 USB 接口，可以对充电宝，手机，小功率led 灯等小功率电器进行充电，其余电能储存在储能模块的蓄电池中。其中，自动喷水冷却模块能量来源为自身发电，整体不需要另外的能源输入。依靠相应的温度开关和控制电路，能够实现完全自主的喷水降温，并且在降温的同时也一定程度上增加了室内空气湿度，起到加湿作用。 2.1 发电模块 发电模块的核心为半导体温差发电片。考虑到成本和性价比问题，该设备选用的是市场有售的 SP11848-27145 型号的 4040mm 的温差发电片。考虑到烟筒壁为曲面，为保证发电片热端能均匀受热，将两组发电片用导热胶带贴于 40150mm 的铝制散热板上，作为一组发电板。其中3每组发
5、电板的两块发电片串联连接，该装置共用四组发电板，采用环绕方式固定于烟筒一周。两组发电板之间串联联连接，然后再并联连接。经过实验测试，这种连接方式输出功率最大。四组发电板环绕烟筒一周，用热硅胶固定于烟筒上。火炉在满状态工作时，下部的烟筒壁温度可达120150，因此烟筒壁为一个很理想的热源。 2.2 升压稳压模块 升压模块使用的控制芯片为硕芯科技的 SX1308 DC-DC 升压芯片，电路设计如电路图 2.2。该电路可以将 1-5v 的直流输入转化为 5v 直流稳压输出。因为大多数常用小功率电子设备的输入电压均为 5v，加上输出端直接为 USB 接口，其可直接为许多小功率电子设备，如充电宝、手机等
6、充电，或者直接作为 led 灯的电源，并且可以直接为自动喷水降温装置进行供电。在不额外加负载的情况下，所产生的电能将储存在最上方的蓄电池中。 2.3 自动喷水降温模块 在进行试验时发现，如果只靠散热片与空气进行热交换来进行散热，散热片温度随着时间增加甚至能达到 8090，散热效率很低，发电能力下降。所以应添加自动喷水降温装置。 该装置主要由储水罐，微型小功率水泵，PVC 水管，四个喷头和控制电路组成半柱体空间内加水，口下方为柱形储水罐，另一侧空间放置控制电路和水泵。 控制电路原理图如电路图 2.3 所示 小水泵 M 选用型号为 WAJ280 的 5v 直流微型水泵，温度开关为一种4用双金属片作
7、为感温元件的温度开关，电器正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合/断开状态，当温度升高至动作温度值 t（70）时，双金属元件受热产生内应力而迅速动作，打开/闭合触点，切断/接通电路。此温度开关附着于散热片外侧。 实现自动控制的原理：当散热片温度高于设定值时，温度开关断开，三极管集电极正偏，三极管处于发大或饱和状态，此时水泵 M 工作，四个喷头喷水，散热片降温，指示灯 LED0 发光。当散热片温度低于设定值t 时，温度开关接通，三极管集电极发射集短接，三极管处于截止状态，水泵 M 停止工作，喷头停止喷水降温，指示灯熄灭。如此以往，实现自动喷水 降温。 3 发电效果 根据上面的设计，在火炉
8、全火力工作时，热端温度可达 120150 ，冷端温度在 6070，在无稳压电路时，得到输出开路电压为 7v 左右，在接入稳压模块和蓄电池时，匹配输出电压可稳定在 5V，输出电流可达0.6A，功率达到 3W。 4 结束语 该套装置将温差发电引用到家庭余热发电的领域上，从最日常生活中开始节能减排。此外，自动喷水降温模块的闭环反馈电路，可实现完全自主的自动冷却降温，该电路模型有着十分广阔的运用空间。该套装置无需改动原有火炉结构，可直接作为一套嵌入性装置加装在排气管道上。另外考虑到本设计体积小、重量轻、无运动部件。该装置可以直接5作为独立组件向所有用火炉取暖的地区进行推广。 参考文献 1 赵建云. 温差发电技术的研究进展及现状J. 综述，2010 年03 期 2 张一鹏. 低碳经济背景下的新能源开发和利用J. 中外能源. 2010（11） 作者简介 宋涵（1996-） ，西北工业大学 动力与能源学院 自动化专业。
