建筑的热废能温差发电补给家用探索与实践

建筑的热废能温差发电补给家用探索与实践

杨万飞  ,赵双庆  ,桑玉萍  ,孟婧（通讯作者）

昆明理工大学津桥学院,云南 昆明   650212

摘  要：本文通过对全球能源体系的分析，探索出了一种利用热废能所储存的能量来实现能量的转化，转化成电能补给家用的方式。通过对温差发电技术的研究，我们发现，它可以合理利用地热能、太阳能、海洋热能、工业余热废热等能源转化成电能，从而达到节省能源和保护环境的目的。

关键词：温差发电，能源，热废能

1.全球能源体系面临的状况

随着全球能源短缺、气候变化等加剧和人们对生态环境重视程度的增高，加快发展可再生能源、保障生态环境安全、支撑社会经济可持续发展，已成为世界各国关注的重点。目前我国能源普及率低、人均能源消耗量少，能源不足已成为制约我国经济发展的障碍之一。能源是人类生存的必须，现在人类燃烧燃料来获取能源的方法已经开始发展到危害人类生存环境的地步了;而化工污水的大量排放更是威胁到人类本身生存环境的另一个极其严重的问题。目前，我国不存在一条完全不受到污染的河流，而化工污水的大量排放更是一大公害。不但严重污染环境，严重威胁广大人民身体健康和生命财产安全;而且大量有用元素流失而做成巨大的浪费。因此，廉价和无污染的能源和化工污水循环利用和有用元素的回收以实现循环经济的技术，已经成为世界公认的世界难题。根据我国“十四五”指出：推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。加快发展非化石能源，坚持集中式和分布式并举，大力提升风电、光伏发电规模，加快发展东中部分布式能源，有序发展海上风电，加快西南水电基地建设，安全稳妥推动沿海核电建设，建设一批多能互补的清洁能源基地，非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。中国是基建大国，建筑较多，而直射建筑物的太阳能却不能被利用而变成了光污染，建筑物内部的热污水却为了达标排放而人工冷却。

2.温差发电技术的背景

随着世界能源的紧张环境，污染的日益严重，人口迅猛增长，人类对能源的需求在不断的增加，因此非常需要一种新型的能源来替代传统的能源，而废水，废热能能转化为电能是不二的选择。

在国内，温差发电方面的研究起步相对比较晚，相对于国外，国内主要重在理论和热电材料的制作等方面，在20世纪80年代开始，我国的陈金灿课题组，对温差发电装置进行了研究，并且优化了温差发电装置的一些性能，取得了重大成果。随后，我国的屈健等同志还，研究了不可逆情况下发电装置的输出功率和效率，随外部条件性能的变化规律。有了前辈们的，不断研究和改进，便有了今天这个废热能发电装置的雏形。

而今，世界上有不少利用温差发电的实例，据计算，在南纬20度到北纬20度的区间，海洋面上，由于海水水温仅平均下降1度，只需要把其中一半的海洋用来发电的话，就可以获得六百亿千瓦的电能。在法国，1881年首次，提出海洋温差发电的构想，经过49年的不懈努力于1930年，在古巴的近海，首次利用海洋温度的温差，进行发电并且成功了。不仅仅是国外，在中国的台湾，也有这样的实例，就是中国台湾红柴海水温差发电站。

3.温差发电技术的原理

首先，将半导体或两种不同金属连接在一起，次过程称为热电偶。其次，把热电偶的一边放置在高温环境中，后将另一边暴露在低温环境中。而因为高温和低温之间会存在明显的温度差异，所以会有一个电动势在两个金属之间产生，被称为温差发电效应。如果在同一个电路中连接热电偶的两段，那么可以将电动势转换成电能，因而实现温差发电。我们也可以了解到温差发电的原理是基于能带理论，而重点在于不同材料之间的电子能带结构。材料中的电子能带决定了它的导电性能，要具有不同的电子能带结构才可以产生热电效应的材料。在温度差异中，电子可以由高温一侧向低温一侧运动，由此产生一个电动势。  在实际的应用中，为了提升温差发电的效率，会经常采用许多的热电偶组成的热电堆来实现。热电堆由多个热电偶串联组成，再形成一个电压叠加的结构，可以把电动势积累起来，由此提高功率及输出电压。除此之外，我们还能采用技术手段，如热辐射控制、热对流控制等提高温差效率。 总而言之，温差发电就是可以将温度差异转化为电能的一项技术，而原理基于热电效应。虽然温差发电的效率较低，但温差发电技术伴随着无污染、体积小、寿命长、结构简单等优点，具有广阔的前景，但目前距离更高效使用还有一段距离，至少需要解决材料的选取和热沉优化利用的问题。而且随着新型热电材料的出现，温差发电技术将具备更大的优势，为多个领域系统、设备的高效热管理和能源优化提供更好的解决方案。

4.热废能温差发电

4.1热废能温差发电的应用

热废能温差发电也同样是一种非常有前途的能源利用方式，在我们平时的应用中也非常广泛，可以用于各种场合，如工业生产、家庭生活、交通运输等。在工业生产的过程中，热废能温差发电技术可以将废热能转化为电能，降低能源的浪费，提高能源的利用效率。在家庭生活中，热废能温差发电技术可以利用太阳能、地热能等自然能源，为家庭供电，减少对传统能源的依赖。在交通运输中，热废能温差发电技术可以利用汽车排放的废热能，为车辆提供电源，提高燃油的利用率，减少污染物排放。温差发电是一种非常有前途的清洁能源技术，可以将废热转化为电能，提高能源利用效率，同时也可以减少环境污染。随着热电材料的发展和不断的研究，温差发电技术在不久的未来将会得到更广泛的应用和推广。也相信在未来的发展中，热能转换为电将会得到更广泛的应用和发展，为我们带来更多的便利和好处。

4.2而在今后的温差发电研究中，研究重点集中在几个方面:

(1). 利用传统半导体能带理论和现代量子理论，对具有不同晶体结构的材料进行赛贝克系数、电导率和热导率的计算，为了能在更大的范围内寻找热电优值ZT以及更高的热电材料。

(2). 对热电材料的微观结构和制造工艺对热电性能的影响进一步展开研究，为了提高材料的热电性能，开发新型的超晶格热电材料和纳米热电材料。

(3). 加强器件设备的制备工艺开发与研究，促进热电材料的产业化应用进程以降低成本。

(4). 积极研发新型的温差发电系统和结构，采用强化热电直接转换技术开发出大功率、高性能和高经济性的转换器件和转换系统。

4.3热废能发电系统的原理及意义

本热废能发电系统是回收污水中的大量热能资源，采用热泵原理，将无价值的污水余热变成有价值的高品位热能并输出转化为电能的节能系统。这项技术运行时不燃烧、不排放、完全依靠温差发电驱动系统运行，是高效、环保、节能生产技术。为了克服现已知的污水热废能温差发电系统不能满足工业污水低温余热回收的需要，回收热能不充分，对高温系统进口温度要求高，回收低温系统热能的温度不稳定且只能低于高温系统的介质进口温度，运行成本高的缺点，本发明提供一种新型废水温差发电系统，该系统不仅可高效回收工业废水高温区(60-99℃)热源的热能，而且还可以经济、高效地回收中低温区(20-59℃)低品位热源的热能，该余热回收系统装置把工业生产中的工艺热水、废污水中的热能转移到新的载热液体内，再生成为可直接利用的热能，利用热能转化为电能提供给附近的居民提供家用。这项发明的目的是解决以上的世界难题服务的。本发明利用化工的污水或生活污水热能发电;回收污水中存在的有用元素;生产出能供人们食用的优质水并产生大量温度只有5℃以下的冷冻水，以满足化工生产过程中需要制冷和冷却的工艺流程的制冷和冷却需要。因此，不但节约了大量的电能，而且大幅度降低生产成本。所以具有极其重大的意义。

4.4污水热废能温差发电的优点包括：

(1). 环保：污水废热能温差发电不需要燃料，因此不会产生污染物和温室气体。还充分利用了废水的最后价值。

(2). 长寿命：温差发电器件不需要移动部件，因此寿命长，维护成本低。

(3). 可靠性高：温差发电器件不容易受到机械震动和振动的影响，因此在可靠性高。

5.参考文献

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作者简介：杨万飞（1999－ ），性别男，籍贯云南昆明，在读学历本科。