热电炉：抛弃太阳能电池板？

如果说有2000年历史的风车是今天风力涡轮机的前身，那么壁炉和木炉就是今天太阳能电池板更古老的前身。就像太阳能电池板一样，树木和其他植物将阳光转化为对人类有用的能源。纵观历史，燃烧木材和其他生物质为家庭提供热能，用于做饭、取暖、洗涤和照明。

光合作用也支撑了所有历史上的机械动力来源：它为人类和动物的动力提供燃料，也为水车和风车提供建筑材料。老式风车和老式木炉都不能发电，但两者都很容易适应。它足以将发电机连接到风车，并将热电发电机连接到木材炉子。

热电发电机(或称“TEG”)非常类似于“光电”发电机--我们现在称之为“光伏”发电机或太阳能光伏电池。光伏发电机将光直接转化为电能，热电发电机将热量直接转化为电能。1个。

热电发电机由许多锭形半导体元件组成，这些元件用金属条串联连接，并夹在两块电绝缘但导热的陶瓷板之间，形成一个非常紧凑的模块。2它们可以从Hi-Z、Tellurex、Thermalforce和Theromanic等制造商那里商业化购买。

将热电模块贴在木质炉子的表面上，每当木质炉子用于做饭、空间取暖或热水加热时，它就会产生电力。在下面更详细描述的实验和原型中，每个模块的功率输出在3到19千瓦之间变化。

与太阳能电池板一样，模块可以并联和串联在一起，以获得人们需要的任何电压和功率输出-至少只要炉面还在。与太阳能电池板一样，热电模块产生的电流由充电控制器调节并存储到电池中，因此当炉子不使用时也可以使用电力。热电炉通常与低压直流电器相结合，这避免了使用逆变器的转换损耗。

热电炉可以在世界许多地方使用。大多数研究针对的是全球南方，那里有近30亿人(占全球人口的40%)依靠燃烧生物质做饭和家庭热水。其中一些家庭还在一年中的部分时间使用炉子或壁炉照明(13亿人没有电)和空间供暖。然而，也有针对工业社会家庭的研究，那里的生物质炉子和燃烧器越来越受欢迎，特别是在城市以外。

自从1821年托马斯·塞贝克(Thomas Seebeck)首次描述热电效应以来，热电发电机就因其将热能转化为电能的低效率而臭名昭著。3 4 5 6今天，热电组件的电效率只有5-6%左右，大约比最常用的太阳能光伏电池板低三倍。4.

然而，与炉子相结合，热电模块的电效率并不那么重要。如果一个模块将热能转化为电能的效率只有5%，那么其余95%的热能又会以热能的形式释放出来。如果炉子用于空间取暖，这种热量不能被认为是能量损失，因为它仍然有助于实现其最初的目的。系统总效率(热+电)接近100%-无能量损失。如果炉子设计得当，电转换产生的热量也可以再用于做饭或取暖。

热电模块分享了太阳能电池板的许多优点：它们是模块化的，几乎不需要维护，它们没有活动部件，它们静默地运行，而且它们的预期寿命很长。7然而，与太阳能光伏电池板相比，热电模块也提供了有趣的优势，前提是家庭中有经常使用的(非电力)热源。

虽然热电组件的效率大约是太阳能光伏电池板的三倍，但热电炉提供了更可靠的电力供应，因为它们的发电较少依赖于天气、季节和一天中的时间。用行话说，热电炉比太阳能光伏电池板有更高的“净容量系数”。

即使炉子只用来做饭和生产热水，这些日常的家庭活动仍然保证了可靠的电力输出，无论气候如何。此外，热电炉的发电量与住户的用电需求非常匹配：使用热电炉的时间通常也是用电最多的时候。另一方面，当家庭需求达到顶峰时，太阳能电池板产生的电力很少，甚至没有。

请注意，当热电发电机由直接太阳能供电时，这些优势就消失了。太阳能热电发电机(或称“STEGS”)的热电组件由集中的阳光加热，但由于可靠性较高，不能补偿其组件的低效率，因为它们和太阳能光伏电池板一样依赖天气。8 9 10。

由于其更高的可靠性，不需要像太阳能光伏安装那样，为了补偿夜晚、黑暗季节或恶劣天气白天而过大的热电系统的发电和存储容量。电池容量只需要足够大，就可以储存电力，供炉子两次点火之间使用，而且不需要增加额外的模块来补偿生产期间的低功率。

太阳能电池板和热电炉也可以组合在一起，形成一个可靠的离网系统，几乎不需要储能。这种混合系统与只用于空间供暖的炉子很好地结合在一起。热电模块在冬天产生大部分电力，而太阳能电池板在夏天接手。

第二个优势是热电组件比太阳能电池板更容易安装。没有必要在屋顶上建造结构和与外部世界的电力连接，因为整个发电厂都是在室内的。这也防止了电源被盗，这是一些偏远地区太阳能电池板的一个重大问题。

所有这些因素都使得来自热电炉的电力比来自太阳能光伏电池板的电力更便宜、更可持续。制造电池、模块和支撑结构所需的能源、材料和资金更少。

在可持续性方面，还有另一个优势：与太阳能光伏电池板不同，热电模块相对容易回收。虽然硅太阳能电池本身是完全可回收的，但它们被封装在塑料层(通常是“EVA”或乙烯/醋酸乙烯酯聚合物)中，这对模块的长期性能至关重要。11在不破坏硅电池的情况下移除这一层在技术上是可能的，但它太复杂了，以至于从财务和能源的角度来看，回收都没有吸引力。另一方面，热电模块根本不包含任何塑料。14 15 16。

热电发电机的电效率不仅仅取决于模块本身。它在很大程度上也受到模块冷端和热端之间的温差的影响。以温差的一半工作的热电模块只能产生四分之一的电力。因此，改善热电发电机的热管理是热电炉设计中的一个主要重点，因为它允许用更少的模块产生更多的功率。

一方面，这涉及到定位炉子上最热的地方，并将模块固定在那里-前提是它们可以承受热量。大多数炉子的表面温度从100摄氏度到300摄氏度不等，而碲化铋模块(最实惠和最高效的模块)的热面可以承受150到350摄氏度的持续温度，具体取决于不同的型号。

另一方面，热管理归结为尽可能降低冷侧温度，有四种方式可以做到：风冷和水冷强制对流，涉及电风扇和水泵；风冷和水冷自然对流，涉及使用对空调系统没有寄生负荷的被动散热器。

即使考虑到额外使用风扇或泵，主动冷却通常也具有更高的效率。然而，被动系统比主动系统更便宜、静默运行，而且更可靠。特别是，风扇的故障可能会有问题，因为它可能会因过热而导致模块故障。17.。

第一个热电生物质炉子是在21世纪初建造的，尽管苏联在20世纪50年代率先提出了类似的概念，主要是由煤油灯供电的电动收音机。6 2004年，一组黎巴嫩研究人员用他们自己制造的单一56x56毫米热电模块对当地农村地区的一个典型铸铁木炉进行了改装。18这个炉子用于烹饪和烘焙，以及空间和热水加热，相当小(52x44x29厘米)，重40公斤。

研究人员将一块1厘米厚的光滑铝板拧到炉子表面最热的地方，将模块固定在那里，并将一个非常大的(180x136x125毫米)铝翅片散热器连接到其冷端。在每小时2.5公斤软松木的燃烧速度下，他们的实验显示平均功率输出为4.2瓦。因此，每天使用木质炉子10小时(不包括预热阶段)为一个黎巴嫩农村家庭提供42瓦时的电力，足以满足基本需求。

可以增加更多的模块和散热器来增加功率输出，但当然炉面是有限的，随着增加更多的模块，它们将位于表面温度较低的区域，从而降低它们的效率。另一种增加发电量的方法是使用更大的散热器，和/或由导热系数更高的材料制成的更昂贵的散热器。

到目前为止，大多数已经制造的热电炉都使用电风扇来冷却模块，并结合了一个小得多的散热器。虽然风扇可能会破裂，是系统的寄生负载，但它可以同时通过向燃烧室吹入热空气来提高炉子的效率-将木柴消耗和空气污染削减大约一半。此外，风扇供电的炉子避免了建造烟囱，而可以依靠水平排气管。19因此，自供电、风扇冷却的炉子使全球南方农村地区的木柴消耗和室内空气污染成为可能，因为那里的人们既没有电，也没有办法通过屋顶制作烟囱。

一项带有一个模块的强制通风热电灶具的研究表明，输出功率为4.5瓦，其中1瓦是操作风扇所需的功率。20净发电量(3.5瓦)比只有散热器的炉子(4.2瓦)低，但风扇冷却的炉子只使用一半的木柴：它以每小时1公斤木柴的燃烧速度产生3.5瓦的净电力，而被动冷却的炉子需要2.5公斤木柴才能产生4.2瓦的木柴。

马拉维对类似的便携式热电炉设计进行了为期80天的现场测试，结果显示，这项技术受到了用户的高度重视，炉子产生的电力超过了需求。在整个期间，发电量在250到700瓦时之间，而用电量在100到250瓦时之间。21岁。

一些风扇冷却的热电灶具是市面上可以买到的，通常是为背包客而设计的。例如BioLite、Teromanic和Termefor的炉灶，根据设计和模块数量的不同，它们的输出功率在3到10瓦之间。17.。

最有效的热电炉是那些模块的冷端通过与蓄水池直接接触来冷却的炉子。水的热阻比空气低，因此冷却效率更高。此外，它的温度不能超过100摄氏度，这使得由于过热而导致模块故障的可能性降低。

当热电模块为水冷时，其电转换产生的余热不是用于空间供暖，而是用于家庭热水供暖。水冷热电炉可以是主动的(使用泵)或被动的(没有活动部件)。17.。

大多数被动水冷却的热电炉都很小，只用来加热相对少量的水。事实上，最常配备热电模块的不是炉灶，而是一个锅子。例如，PowerPot是一种市面上出售的背包式烹饪锅，底座上附了一个热电模块，可以直接放在炉子的顶部，广告上的发电功率为5-10千瓦。

法国研究人员在摩洛哥设计的大型多功能泥木炉的基础上，设计了一种更大、更多功能的被动式水冷却热电炉。19 22 23 24 25他们在一个内置的30L储水箱底部安装了8个热电模块，不仅作为发电机冷端的散热器，还作为家庭的生活热水供应。此外，炉子还配备了自供电的电风扇，并有双燃烧室，以提高燃烧效率。

原型的测试使用两个模块产生28瓦的电力，同时燃烧1.5公斤的木材用于烹饪和/或取暖。风扇使用了15W，这意味着还有13W的电量可供其他用途使用。炉子每小时还提供60升热水。根据两次烹饪过程的持续时间，一天内电池中储存的电量在35到55瓦时之间。请注意，在这里，研究人员考虑了充电控制器、6V电池和风扇的损耗。

被动式水冷却有一个缺点。随着水箱内水温的升高，模块冷侧和热侧的差值将会减小，电效率也会随之降低。要么需要在两次点火之间有足够的时间让水再次冷却，要么应该定期使用温水，并用冷水代替。有了水泵，这项任务就更方便了。

2015年的一个原型，用于烹饪、空间和水加热的木炉配备了21个由抽水系统冷却的热电模块，显示的发电量从25W(每小时燃烧1公斤松木)超过70W(4公斤木材/小时)到166瓦(9公斤木材/小时)。26每个模块的输出功率高达7.9瓦，几乎是采用自然风冷的炉子每个模块输出功率的两倍。该泵使用5W，炉子还配有风扇以提高燃烧效率，消耗1W。27 28。

采用强制水冷却的热电发电机更适合工业社会的能源基础设施，特别是在拥有中央供暖系统的家庭中。可以添加更多的模块，从而产生与相对较高的能源生活方式相匹配的电力生产。然而，有一些警告。首先，集中供暖系统只用于空间和水的供暖，而不是用于烹饪，这使得它们的电力生产全年都不太可靠。其次，只有一些集中供暖系统使用生物质或木球燃烧器，而更多的集中供暖系统使用天然气、石油或太阳能。

显然，当热源是电的时候，在它上面贴一个热电模块是没有意义的。热电系统与高科技可持续建筑的愿景不相容，在高科技可持续建筑中，供暖由电动热泵完成，烹饪在电动烹饪炉上进行，热水由电动锅炉生产。

然而，当能源是天然气或石油时，热电锅炉就像屋顶上的并网太阳能光伏系统一样是一种低碳解决方案。29热电供暖系统不能使家庭独立于化石燃料，但并网太阳能光伏装置也不能。它依靠(主要是化石燃料驱动的)电网来解决能源短缺和过剩问题，而且它通常依靠化石燃料驱动的中央供暖系统来提供空间和供水供暖。

使用化石燃料的热电供暖系统也比大型热电联产发电厂更具优势，热电联产发电厂收集电力生产的废热，并将其分配给单个家庭进行空间和热水供暖。在热电加热系统中，热量和电力是在现场产生和消耗的。与中央热电厂不同的是，不需要基础设施来分配热量和电力。这节省了资源，避免了运输过程中的能源损失，热量分配占10%至20%，电力分配占3%至10%(在某些地区甚至更多)。

热电联产发电厂在将热能转化为电力方面更节能(25-40%)，这意味着相比之下，热电加热系统提供的热量更多，而电力的份额更小。然而，这远远不是问题，因为即使在欧洲，80%的平均家庭能源消耗也花在了空间和取暖的水上。

嘿！好话题！这让我想起了当年风靡CPU冷却的帕尔蒂埃效应。我想知道：如果把热电模块放在CPU和散热器之间，会有什么用处吗？比如生产一些覆盆子PI所需的电力？看起来这些东西可以烧热(但还不能烧热！)。

我喜欢这个想法，但我不会认为热电发电机是光伏的替代品，而更多的是作为它的补充。我来自中欧，暖气一年使用6-8个月，春秋两季不完全定期，所以暖气可能要用半年。其余的时间--阳光明媚的日子和夏天的大部分时间--可以很容易地被光伏覆盖。

虽然在寒冷的冬天用火做饭是有意义的，同时人们也在加热空间，但在夏天它有一个明显的缺点：它会加热室内，人们想要保持凉爽。此外，加热和冷却炉子需要很长时间，所以内部加热的时间比可以像燃气或电力感应一样快速开关的炉子要长得多。这对不同的地点来说显然是不同的，只燃烧生物质的解决方案完全适合亚北极气候，但在热带地区它会提供太多的热量和太少的电力。在那里，PV显然是更好的选择-当它们被用来运行空调时，在阳光最充足的最高时段达到峰值时，情况就更好了。

TEG令人惊叹且免维护，但它们的低效率限制了它们只能用于相当低功耗的应用。如果考虑到一座隔热合理的建筑，即使在较冷的气候下，对热量的需求也相对低于对电力的需求，因此通过增加供暖来提供更多电力是没有意义的。或许有一个解决方案：斯特林发动机。它有可移动的部件，因此需要一些维护，但它可以提供更多。

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