摘要

    本文深入探討了基于太陽能熱水器的溫差發電設備的設計、實現及其性能表現。隨著全球對可再生能源需求的日益增長，太陽能作為清潔、可再生的能源之一，其高效利用成為研究的重要方向,高效的太陽能熱水器系統也逐漸成為市場主流，得到了廣泛的應用。傳統太陽能熱水器主要將太陽能轉化為熱能用于熱水供應，而本文提出的溫差發電設備則進一步挖掘了太陽能熱水器的潛力，實現了熱能向電能的轉化。

在研發該項目的過程中，我們團隊合理地應用了溫差發電的基本原理，即利用熱電材料的塞貝克效應，在溫度梯度下產生電能。隨后，結合太陽能熱水器的特點，設計了一種集成化的溫差發電系統。該系統主要由太陽能平板集熱器、溫差發電模塊、熱傳導元件及電能轉換與存儲裝置組成。太陽能集熱器負責收集太陽能并轉化為熱能，加熱熱水器中的水；溫差發電模塊則利用水與周圍環境的溫差，通過熱電材料產生電能；熱傳導元件如熱管等則用于優化熱能傳遞路徑，提高溫差發電效率；電能轉換與存儲裝置則將產生的電能進行轉換和儲存，從而減少了對傳統能源的依賴，推動了綠色發展，實現了不同能量之間的相互轉化。 

    在實驗驗證部分，我們團隊設計了一系列對比實驗，以評估溫差發電設備的性能。實驗結果表明，在光照條件充足的情況下，該設備能夠穩定地輸出電能，且隨著光照強度的增加和熱水器水溫的升高，發電量逐漸增加。除此之外，我們還總結出與普通的光伏發電系統相比，該設備在熱能利用效率和綜合能源轉換效率方面表現出的顯著優勢。

    值得一提的是，我們的設備創新性地采用了先進的熱電轉換材料和技術，提高了能量轉換效率，降低了能量損失。同時，我們團隊還優化了設備結構，增強其穩定性和耐用性，確保了長期穩定的運行效果。

在本次項目研究中提出的基于太陽能熱水器的溫差發電設備為太陽能的多元化利用提供了新的思路和方法，促進了太陽能熱水器與溫差發電技術的融合，實現了綠色發展、環保創新。該設備不僅提高了太陽能的綜合利用效率，還為實現家庭或小型商業場所的自給自足電力供應提供了可能。未來，隨著熱電材料性能的不斷提升和成本的進一步降低，該設備有望在更廣泛的領域得到應用和推廣。

關鍵詞：太陽能熱水器、溫差發電、綠色發展、環保創新

項目研究背景介紹

    太陽能熱水器的歷史源遠流長，早在很久以前，古代文明就已經開始嘗試利用太陽能產生熱水，它們通常是基于暖空氣上升等原理實現水的加熱。自18世紀末起，人們開始發明可供家庭采用的太陽能熱水器。在當今社會，由于能源危機和對環境問題的關注，太陽能技術得到了更為廣泛的應用，實現綠色可持續發展更是成為全球共同關注的焦點，隨著傳統能源的日益枯竭和環境污染的加劇，尋找清潔、可再生的能源成為當務之急，溫差發電太陽能熱水器正是在這樣的背景下應運而生。

    隨著對可再生能源利用的持續關注和技術創新，太陽能熱水器因其無污染、可再生、運行成本低、適用性廣泛以及具有長期的投資回報等特點受到了極大的關注和青睞，不斷得到改進和普及。國家出臺了許多政策來促進太陽能熱水器的市場應用，以減少對化石燃料的依賴，從而降低溫室氣體排放，保護環境。

前些年，高效的太陽能熱水器系統逐漸成為市場主流，在校園和工業用途中得到了廣泛的應用。太陽能熱水器因為政策、技術、需求以及環保意識的推動而變得家喻戶曉，改變了“灶臺燒水”的傳統模式，是家家戶戶樓頂的標配。然而近幾年，太陽能熱水器的銷量及應用情況已經遠不如過去，不過與傳統太陽能熱水器相比，溫差發電太陽能熱水器在運行過程中產生有害物質更少，能量利用率更高，顯著降低了碳排放量，對于緩解全球變暖、保護生態環境具有不可估量的價值，具有沖擊傳統太陽能熱水器的巨大潛力。

    團隊采取溫差發電技術太陽能熱水器作為綠色節能的創新方案主要有如下原因：太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，在如今依然具有巨大的開發潛力。但是傳統的太陽能熱水器主要是利用太陽能的熱效應將水加熱，滿足人們的生活熱水需求，這種方式僅僅利用了太陽能的一部分能量，大量的熱能在傳輸和使用過程中被浪費掉，并沒有實現對太陽能的充分開發利用。溫差發電熱水器基于太陽能熱水器的設計原理，對太陽能熱水器的能量進行深層次利用，同時采用一種基于塞貝克效應的新型能源轉換技術，它可以將不同溫度之間的溫差直接轉化為電能，具有無污染、無噪音、可靠性高等優點，充分利用太陽能熱水器在工作過程中產生的溫差，實現熱能和電能的同步轉換，提高能源的綜合利用效率。

    就太陽能熱水器的商業價值來講，由于太陽能熱水器的核心原理是利用太陽能轉化為熱能，這一特性直接導致了其對天氣的強烈依賴性[1]，在陰雨天氣或冬季日照不足時，太陽能熱水器的效率會大幅下降甚至無法正常工作，無法滿足用戶的穩定熱水需求，這種不穩定性使得用戶在日常使用中對其缺乏信任感，從而影響了太陽能熱水器的普及和應用。與此同時，太陽能熱水器的安裝需要對房屋進行一定的改造和調整，以適應其集熱器的安裝需求，這不僅增加了安裝成本，還可能對房屋結構造成一定的影響。此外，太陽能熱水器的后期維護也較為復雜，包括清理集熱器上的灰塵、檢查水管是否漏水、定期除水垢等。這些維護工作需要一定的專業知識和技能，對于普通用戶來說難以自行完成，增加了使用成本和維護難度。但是，隨著技術的不斷發展和政策的扶持，在一些天氣晴好、光照充足的地區，基于我們團隊創意的溫差發電型太陽能熱水器在未來將仍有極大的發展空間，尤其在環保意識日漸增強的背景下，綠色能源利用成為主流的趨勢良好。而且隨著科技的不斷進步和人們生活水平的提高，對能源的需求也在不斷增加，尤其是在一些偏遠地區和能源供應不足的地方，穩定的能源供應成為了迫切的需求，本項目的溫差發電太陽能熱水器可以獨立運行，不需要外部電源，且具有能量多級利用優勢，為這些地區提供了一種可靠的能源解決方案。

    全球氣候變化的壓力促使著人們加快對清潔能源技術的研發和應用，減少溫室氣體排放、降低對傳統能源的依賴，已經成為各國政府和社會各界的共同目標。值得肯定的是，溫差發電太陽能熱水器作為一種綠色、環保的能源技術，雖然初期投資可能相對較高，但運行成本極低，幾乎不需要額外的能源消耗和維護費用，隨著使用年限的增加，其經濟優勢將愈發明顯，對于該技術的研究是能源危機、環境保護、科技進步和社會需求等多方面因素共同作用的結果，它的出現為解決能源問題和實現可持續發展提供了新的思路和方法，團隊認為其具有廣闊的市場前景和社會價值[2]。

溫差電原理技術介紹

    在不可再生資源的巨大消耗和不同程度的環境污染影響了國民經濟發展的當下，合理開發和利用新能源已經成為大勢所趨。熱電效應作為實現能源轉化的一種有效方式，為能源的利用提供了新的解決方案。熱電效應包括塞貝克效應、帕爾帖效應、湯姆遜效應，可應用于許多領域，其中包括微冷卻、微加熱、光源供電，以及從太陽能電池、發動機、工廠或任何其他散熱系統中回收浪費的熱能。

2.1 三種熱電效應原理

2.1.1 塞貝克（Seebeck）效應

2.1.1.1 溫差電動勢

    單一導體兩端由于溫度不同而在其兩端產生的電勢為溫差電勢，又稱湯姆遜電勢。溫差電動勢的產生與導體的性質和兩端的溫度有關，而與導體的長度、截面大小、沿導體長度上的溫度分布無關。當兩種不同的金屬接觸時，如果兩個觸點間存在一定的溫度差，就會產生溫差電勢。這是因為高溫端自由電子的動能大于低溫端自由電子的動能，高溫端自由電子擴散速率高于低溫端自由電子的擴散速率，從而在導體兩端形成電位差。

2.1.1.2 塞貝克效應原理

    托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）于1821年首先觀察到如果將兩種不同的導體的兩端連接起來，如圖1所示，且使兩端產生一定的溫差，此時回路中將會產生電流。因此這種通過不同材料的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象稱之為“塞貝克效應”，也叫做第一熱電效應。

圖1 塞貝克效應示意圖

2.1.1.3 塞貝克系數

 塞貝克效應所產生的電壓稱為塞貝克電壓，可以采用下式計算： 

 

     塞貝克系數是度量熱電材料熱電效應或者塞貝克效應大小的主要參數之一，定義為材料在某一微小溫度差（ΔT）的作用下達到穩定狀態即材料內部的電流為零時，每單位溫度產生的電壓（ΔV）。根據相應的測量數據，塞貝克系數（S）可以采用下式計算[3]：

     

S——塞貝克系數，V· K-1；

ΔV——兩端開路電壓，V；
上式是從宏觀的角度來定義的塞貝克系數，該方程可以用來根據實驗測定的數據計算塞貝克系數。

2.1.2 帕爾帖效應（Peltier effect）

     在由不同導體組成的回路中，當直流電流通過時，除了會產生不可逆的焦耳熱外，還會在不同導體的接觸點處引起吸熱或放熱現象，具體吸熱或放熱取決于電流的方向。這種熱現象與焦耳熱不同，在熱力學上是可逆的，被稱為帕爾帖熱。這一效應稱為帕爾帖效應（Peltier effect），是和塞貝克效應相反的效應。帕爾帖效應的大小與外加電流成正比，而且隨著外加電流的方向變化而變化。其數學表達式為：

Q=ΠI

     Π——帕爾帖系數，單位為W/A

 如果采用如圖2所示的半導體單元，并在A、B兩個點施加直流電壓，當P型半導體連接點A為正極、N型半導體連接點B為負極時，上部連接點會發生放熱現象，從而導致溫度升高（見圖2a）。而當施加的電壓反向時，即P型半導體連接點A為負極、N型半導體連接點B為正極時，上部連接點會發生吸熱現象，從而導致溫度降低。這種現象可以用于制冷應用（見圖2b）。

圖2帕爾帖效應（制冷、加熱）示意圖

 帕爾帖系數和塞貝克系數的關系如下：

     π=ST

   由此可知，影響塞貝克效應的所有因素都將是帕爾帖效應的影響因素，或者說，好的溫差發電材料也是好的帕爾帖制冷熱電材料。

2.1.3 湯姆遜效應（Thomson effect）

    湯姆遜效應是指一定電流通過具有溫度梯度（或者兩端存在溫差Odell均勻導體時，導體從環境中吸收或放出熱量的現象，是威廉.湯姆遜（William Thomson）在1851年發現的。在金屬中，溫度較高的區域的自由電子比溫度較低區域的自由電子具有更大的動能。當存在溫度梯度時，電子會從高溫區向低溫區擴散，類似于氣體的熱擴散。這種電子的擴散會在低溫端積累電子，從而在導體內形成電場，并在金屬棒兩端產生電勢差。這個過程會持續進行，直到電場力對電子的作用與電子的熱擴散達到平衡。

    湯姆遜效應在實際應用中并不像塞貝克效應和帕爾帖效應那樣廣泛，因為它產生的電壓非常微弱，至今尚未發現實際應用，然而，它在熱電理論中仍然是一個重要的組成部分，與塞貝克效應和帕爾帖效應一起構成了熱電效應的理論基礎。
    研究表明,在不同的溫度梯度下，考慮湯姆遜效應對性能的影響是不同的，可能在某些情況下能夠提升性能，同時，湯姆遜效應對于通過調控材料的電子結構和晶格動力學以達到優化系統的溫度分布和性能中扮演重要角色。總的來說，湯姆遜效應是熱電效應的一個重要組成部分，它揭示了電流、溫度梯度和電子擴散之間的關系，盡管在實際應用中受到限制，但它對于理解材料的熱電性質和開發新型熱電材料具有重要意義。

2.2 溫差發電技術相關知識產權

    溫差發電技術的知識產權涉及到眾多的專利。許多公司和研究機構都在該領域不斷進行研究和創新，目前已經取得了很多相關專利成果，接下來將簡述2024 年的相關知識產權公告。 

    2024年1月1日消息，據國家知識產權局公告，廈門東亞機械工業股份有限公司取得一項名為“一種空壓機用溫差發電余熱利用裝置”的專利，授權公告號 cn220267893u，申請日期為2023年6月。該專利的溫差發電余熱利用裝置設置于空壓機內，可利用空壓機運行產生的余熱，達到節能環保的效果。

    2024年1月11日，鞍鋼股份有限公司的“一種燒結點火爐綠色溫差發電裝置、使用方法及發電方法”獲得專利授權，授權公告號 cn113824353b，該裝置提高了表面燒結礦質量。

    2024年1月26日，格力電器的“基于灶具溫差發電的充放電電路及灶具”專利申請也獲得了國家知識產權局公告，公開號 cn117458683a。此專利通過將整流升降壓模塊的輸入阻抗與溫差發電模塊的內阻阻值相對應，提高了溫差發電模塊的發電效率。

    2024年3月19日，珠海格力電器股份有限公司申請“溫差發電裝置及燃氣灶”專利，公開號 cn117728712a，其在燃燒器燃燒過程中，溫差發電裝置的熱端能夠吸收熱量，冷端進行散熱，從而輸出功率為電池充電，可實現燃氣灶不用更換電池的效果。

    2024年7月19日美的集團獲得“燃氣灶溫差發電結構”的發明專利授權，專利申請號為 cn201810237034.0。該專利能夠有效地將溫差發電片冷端的熱量導出，從而增大溫差發電片冷熱兩端的溫差，進而有效增加溫差發電裝置的凈發電量。

    各所高校也在溫差發電技術的研究和專利申請方面有所成果，例如武漢科技大學材料與冶金學院的樊希安教授團隊的科研項目“分布式低溫余熱溫差發電技術”，于2017年底獲得鄂州市昌達資產經營有限公司的天使輪投資1000萬元，并以知識產權入股成立了湖北賽格瑞新能源科技有限公司。

    由此可見，溫差發電技術是一種極具潛力的能源利用方式，隨著技術的不斷發展，相關的知識產權也在不斷增加和更新，尊重和保護知識產權對于促進技術創新和發展至關重要。所以我們團隊在進行相關技術的研究和開發時將注意避免侵權行為。

項目研發情況

    我們通過實驗溫差發電原理設計了一套基于太陽能熱水器功能的改裝發電系統，它是由平板集熱器、半導體溫差發電裝置和循環冷水箱組合而成的，利用銅材、鋁合金、鋼材等材料制成的吸熱板集熱，周圍保溫材料保熱，促使管中水溫高于冷水箱中水溫，因熱水重量輕于冷水，形成對流，形成溫差，利用溫差發電機發出電能，經儲存即可用于實際生活場景中。

3.1 裝置設計原理

3.1.1 設計原理圖示

    半導體溫差發電單元由一個p型溫差電組件和一個n型溫差電組件以及一個外負載電阻，通過金屬導體連接起來。當熱電單元的熱面流入熱流，在熱電單元兩端建立起了溫差，就會有電流流過電路，負載電阻得到熱功率，從而將熱能轉為電能。電流方向由熱端流向冷端，當發電單元工作時，為保持熱端和冷端之間存在一定溫度差，熱端應不斷吸熱，冷端不斷循環保持低溫。

本文是用型號為TEG-127-2.8-1.2-250, 即高度H = 1.2 mm; 寬 度L = 2.8 mm; 熱電單元對數n = 127; TEM結構尺寸為40 mm×40 mm。其原理如圖：

圖3 溫差發電裝置設計原理

3.1.2 半導體材料選擇

    N極半導體材料：通常采用Bi-Sb合金材料，Bi-Sb合金在電池中具有優異的性能，如2D-Sb0.6Bi0.4負極具有高容量和長穩定的儲鋰性能，作為負極材料較合適。

    P極半導體材料：如碲化鉍(Bi2Te)及其合金、碲化鉛(PbTe)及其合金等，其中，碲化鉍在室溫下具有較高的優值系數，可達0.52，導電性能也很優越，電導率為銅的100倍以上，同時還具有良好的熱電性能，其熱電系數較高，可以在溫差作用下產生較大的電勢差，是制造熱電發電器件的關鍵特性。

3.1.3 平板集熱器
    平板集熱器是太陽能熱水器的主要構成部分，主要由有選擇性的吸收涂層吸熱板、天瀑光材料蓋板、保溫層和外殼四大部分組成。當陽光透過玻璃蓋板照在吸熱板上，大部分太陽能被吸熱體所吸收轉換為熱能，使儲水箱內的水加熱。吸熱板的材料國內一般采用銅材、鋁合金、鋼材等。為增強吸收效果，將在吸熱板上制備涂層降低其反射率。為減輕太陽能輻射能量向周圍空氣散失的損耗，在吸熱板上安裝透光材料蓋板，使透過可見光不透過遠紅外線，有效提高吸熱板和水的溫度，其中材料最廣泛為鋼化玻璃材料。吸熱板的四周和底部置有保溫材料，提高集熱器效率。常用保溫材料有巖棉、礦棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。最后由外殼將其組成一個整體，一般由鋁材、鋼材、玻璃等制成。

圖4 平板集熱器基本構造

3.2 裝置設計方案

    本裝置由平板集熱器為能量源，通過平板集熱器吸收熱量，將水管中的水介質加熱，升高溫度。從而熱水箱和冷水箱形成較大溫差，半導體溫差熱裝置在溫差作用下產生電能，從而將太陽能通過蓄電裝置儲存為電能。在收集完電能通過后續升壓電路，穩壓作用下的電能即可投入實際生產生活中。

圖5 溫差發電裝置設計方案

3.3 項目圖表設計

3.3.1 年份分析

 

圖6 三年內全國太陽能熱水器銷量圖

    上圖是2012年1月到2015年3月的全國太陽能熱水器銷量走勢圖，從中我們可以得出兩個信息點：①全國太陽能熱水器銷量總體呈下降趨勢，銷量同比增長率一直處于零下；②全國太陽能熱水器銷量總是在五月份夏季時銷量最高，而在氣溫寒冷的冬天銷量很低。

    其實剛開始的時候太陽能熱水器還是深受消費者喜愛的。2005年國家啟動的新農村建設大大提高了占我國人口絕對主導地位的廣大農民的收入和生活水平，使得熱水浴生活走進了廣大農民家里，使用熱水器在農村越來越普及。而太陽能熱水器具備容水量大、運行費用低等優點，以太陽能為能源，一次性投資后后續費用增加少，且不受部分地區電網電壓不穩定以及缺乏燃氣使用條件的影響，深受農村消費者認可。到2012年，發達地區的農村太陽能市場銷售已趨于飽和，而城市小區由于物業限制安裝等諸多因素，增加了太陽能光熱企業進入城市市場的難度。2012年后銷量減緩，電商快速崛起，到2012年，淘寶和天貓等平臺的交易額飆升至10000億元——電商憑借“去取中間化”的模式有效壓縮了產品成本，使價格更加實惠，給各行各業的傳統企業都帶來了巨大的沖擊。而且太陽能熱水器的效率受天氣影響很大，陰雨天和冬季減少了太陽能的收集，這使得在一些地區太陽能熱水器的使用效率大打折扣，而且只有特定的地域和環境才能夠獲得較好的使用效果。因此、未來要使我國太陽能熱水器市場不萎縮, 則必須主要面對城市化帶來的人均占有樓頂面積有限、科學化降低成本、突破天氣和地域限制等挑戰。

3.3.2 問卷調查

為調查大家對太陽能熱水器的使用情況，我們發布了一份一共六道題的調查問卷，一共有289人填寫。

 

圖7 公眾的住房類型調查

    上表顯示住房類型中樓房占比最大，平房次之，別墅占比最小。城鎮居民的居住環境的立體化, 使人均占有樓頂面積變得有限，給太陽能熱水器占地面積與體積提出了要求。因此要想使太陽能熱水器進入城鎮市場，就首先要解決太陽能熱水器與建筑一體化問題。

 

圖8 公眾使用太陽能熱水器的情況調查

    由上表可知現在還有72.66%的被調查者仍在使用太陽能熱水器。即時目前太陽能熱水器還存在許多問題，但大部分消費者都仍愿意繼續使用，表明太陽能熱水器仍還有大量市場需求，若對其不足之處加以改進，一定可以迎來銷量的上升。

3.3.3 農村太陽能熱水器的使用面積分析

 

圖9 各地區農村太陽能熱水器使用面積

    對于該圖表，整體分析，各地區農村太陽能熱水器使用面積每年都在不斷地增長，尤其是在2008-2013年期間，據相關資料顯示，隨著科技的不斷進步以及政府提供的補貼或者稅收優惠，在加上百姓們的環保意識不斷提升，太陽能熱水器獲得了可觀的發展空間。

     然而，在2013年以后，太陽能熱水器的使用面積增長率在逐年下降，這項數據直觀的表明了太陽能熱水器在逐漸的淡出人們的視野，雖然面積還在增長，但是增長幅度大大降低，一方面農村市場趨于飽和，也是就人們常說的“賣不出去”，家家戶戶都有了熱水器，自然也沒有多少人再買了，再者，就是我國的城市化率在不斷的增長，也就是農村人口在不斷變少，而城市人口在不斷變多，而這正是太陽能熱水器的一個劣勢，占地面積大，出水量小，只能準對一戶人家供暖水，而在大城市，大部分人居住地都是樓房，狹窄的樓頂面積和密集分布的人口導致太陽能熱水器的乏力。

     而在2013年之后的幾年，電熱水器等這些新型熱水器日出東海，電熱水器的環境適應力，季節適應力都表現出了極大的優勢，較太陽能熱水器來講，在供水量上，相差并不是很大，而在春秋冬季或者在夜晚以及陰雨天氣方面，電熱水器在加熱時間和供水穩定性方面遠超于傳統的太陽能熱水器。因此在此之后，傳統的太陽能熱水器也日落西山。

    針對各個地區，山東地區，山西地區，河北地區以及江蘇浙江安徽太陽能熱水器使用面積較大，這些地區都有一個共同的特點，平面面積廣，農村數量多，太陽輻射量大，人口基數大。

而在自然條件方面，太陽輻射量大無疑是最大的優勢，其次便是平地多，但是在西北，青藏地區，太陽能熱水器占地面積卻很小，其中的原因經調查資料顯示，人口數量少，大部分地區都是荒原，人煙稀少，地廣但人稀，所以太陽能占地面積也小。

3.3.4 海爾太陽能熱水器銷量的區域分布分析

 

圖10 海爾太陽能熱水器銷量區域分布

    上圖是海爾太陽能熱水器近兩年的銷量情況，與上表（2003-2014年各地區農村太陽能熱水器使用面積）不同的是海爾的年銷量，西部地區占據多數，近兩年，隨著2000年政府提出的西部大開發戰略的平穩進行，以及綠色發展理念不斷深入人心，西部地區的太陽能熱水器的使用情況已經大幅增長，雖然在使用面積上，相對于山東等地仍有一定差距，但是西部地區的市場前景相對于太陽能熱水器企業來說，一片向好。

但是這又衍生出了一些問題，西部地區的太陽能發電和風力發電設施都在不斷地完善，在以后的發展中，西部的電力系統也將逐步完善，電熱水器也會搶占太陽能熱水器的發展空間。近年來，西部地區太陽能熱水器的發展受到新興電熱水器的限制。根據最新數據顯示，西部地區太陽能熱水器的使用面積每年僅增長5%，而與之相比，新興電熱水器的市場份額正以10%的速度增長。這一趨勢表明，盡管太陽能熱水器在環保、能源節約等方面具有明顯優勢，但新興電熱水器在西部地區的市場份額迅速擴大，成為太陽能熱水器發展的一大限制因素。這一現象可能主要受到新興電熱水器價格的下降和使用便利性的提升的影響，以及缺乏太陽能熱水器相關政策支持等多重因素的影響。

產品的功能驗證

4.1 實驗驗證

    團隊成員利用康銅絲進行實驗驗證，連接兩根銅絲，分別將連接后的銅絲的兩端浸沒在熱水和冷水中（模擬太陽能熱水器的熱端和冷端），當它工作在高溫熱源和低溫冷源之間，半導體內的載流子從熱端向冷端運動，形成回路后就有電流流過負載電阻[4]。

 

圖11 產品功能驗證

4.2 產品運行效果

    實驗過程中，我們使用電壓表進行測量，發現形成溫差電流，即實現了將熱能轉化成電能的固體狀態能量轉化方式。通過持續實驗，我們總結出該溫差發電設備優于普通光伏發電系統的運行效果。

4.2.1 電能輸出穩定

    在實驗過程中，團隊成員持續監測溫差發電設備的電能輸出情況，包括輸出電壓、電流以及功率等參數。

實驗結果表明，溫差發電設備在穩定的光照條件下，能夠保持較為穩定的電能輸出。輸出電壓和電流波動較小，功率輸出穩定可靠。這為用戶提供了穩定的電力供應，滿足了家庭或小型商業場所的用電需求。

4.2.2 系統穩定可靠

    通過長時間的運行測試以及模擬故障實驗，我們對溫差發電設備的系統可靠性進行了評估。

實驗結果表明，溫差發電設備在長時間運行過程中表現出較高的穩定性和可靠性。各部件之間的連接緊密、運行順暢，未出現明顯的故障或損壞情況。同時，該設備還具備一定的自我保護功能，能夠在異常情況下自動切斷電源或采取其他保護措施，確保用戶的安全使用。

4.2.3 熱能轉化效率高

    在實驗中，我們通過改變太陽光的照射強度，模擬太陽能熱水器在不同光照條件下的工作狀態，記錄并分析溫差發電設備對熱能的轉化效率。

    實驗結果顯示，隨著太陽光照射強度的增加，太陽能熱水器中的水溫逐漸升高，與周圍環境的溫差也隨之增大。溫差發電設備能夠有效地利用這一溫差，將熱能轉化為電能。在充足陽光照射下，溫差發電設備的熱能轉化效率較高，能夠穩定地輸出電能。

五、項目的創新點

    利用太陽能發電，以往人們的研究多集中于太陽能光伏發電，基于溫差發電技術的太陽能發電方式的研究則比較少。溫差發電開辟了利用太陽能發電的新途徑。它是一種全固態能量轉換方式，無需化學反應或流體介質，在發電過程中具有無介質泄露、無磨損、無噪音、體積小、重量輕、移動方便和可靠性高等特點，而且不受溫度的限制，因此在太陽能這類低品位熱源的回收利用上顯示出巨大的優勢，同時能夠大大簡化太陽能發電系統的結構[5]。具體而言，該技術有以下創新點：

5.1 技術研發方面

5.1.1 建筑一體化設計

5.1.1 建筑一體化設計

    隨著城市化進程的加速，多層和小高層住宅成為主流，而太陽能熱水器傳統的安裝方式面臨著諸多挑戰：屋頂面積有限，光照不足，所有權爭議，以及影響建筑外觀等問題。為解決這些問題，項目團隊提出了將太陽能熱水器與建筑構件一體化的創新方案。

    此方案的核心是將太陽能熱水器的設計融入建筑元素，提出了建筑一體化設計理念，將太陽能熱水器與建筑構件相結合，與建筑風格和諧統一。通過整合設計，太陽能熱水器不僅滿足熱水供應需求，還能提升建筑外觀表現力，增強建筑科技感。

平板選材多樣化 

    平板的選材不再局限于房頂，還可以探索房屋建筑的墻壁作為新選擇，不受屋頂面積限制，通過擴大安裝范圍滿足更多用戶對熱水舒適度的需求，以提高太陽能吸收利用效率。

太陽能加熱介質多樣化

    除了水，還可以利用太陽能加熱油或其他液體作為工作介質，拓展其應用范圍，滿足不同應用場景的需求，提高設備的性能和適用性。

    若選取成本低，安全性高的水作為加熱介質，發電剩余的水可以循環利用，用于家庭熱水供應洗浴或農產品養殖等其他用途。

    若選取導熱系數較高的油作為加熱介質，可以提供更高的水溫，適用于供暖，發電加熱的油可以用作工作油質。

電能應用拓展

建筑內部供電： 將產生的電能用于建筑內部供電，例如樓道照明、插座供電、家電設備供電等，實現建筑的綠色節能。

社區公用設施供電： 將電能用于社區公共設施供電，例如路燈、監控系統、電動車充電樁等，提高社區管理水平和生活便利性。

市場競爭力增強

     傳統太陽能熱水器多因為屋頂面積小、光照不足無法充分利用光熱能而遭到詬病。建筑一體化的太陽能熱水器可安裝在建筑的各個部位，不受屋頂面積限制，可接收到更多陽光，提高能源利用效率，避免發熱發電不足的問題。

建筑一體化的設計理念將太陽能熱水器與建筑構件相結合，有利于建筑風格和諧統一。通過整合設計，太陽能熱水器不僅滿足熱水供應需求，還能提升建筑外觀表現力，增強建筑科技感，從而在外觀設計上更具市場競爭力。

此外，因為城市中房屋屋頂面積較小，只能安裝于屋頂的太陽能熱水器往往容易引起所有權爭議，建筑一體化的太陽能熱水器可避免相關爭議，使物業管理更便利，權利意識較高的熱水器買家使用更放心。

綜上，建筑一體化的太陽能熱水器市場應用面更廣，市場價值更高，市場競爭力更強。

5.1.2 溫差發電技術

    本小組將溫差發電技術與太陽能熱水器結合，利用太陽能熱水器產生的溫差進行電能轉換，實現了太陽能熱水器和溫差發電模塊的整合，提高了能源利用效率。

5.1.3 改進太陽能材料

    本項目選擇保溫性更強的太陽能材料，并應用于熱點轉換器的熱端，使冷熱兩端形成更大的溫差，提高溫差發電的效率，同時也提高了能源利用效率。

    同時，本組項目采用了先進的熱電轉換材料和技術，例如 Bi-Sb 合金和碲化鉍，這些材料具有較高的優值系數和電導率，能夠在溫差作用下產生較大的電勢差，提高了能量轉換效率，降低了能量損失。

5.2 思維模式方面

5.2.1 能源梯級利用

項目體現了能源梯級利用的理念，將太陽能熱水器產生的廢熱轉化為電能，實現了能量的高效利用。

5.2.2 可持續發展

項目關注環境保護和可持續發展，通過利用可再生能源技術，減少對傳統能源的依賴，降低碳排放，為保護環境貢獻力量。

5.3 管理方法方面

建筑一體化設計將太陽能熱水器與建筑構件相結合，解決了城市居民對屋頂太陽能熱水器所有權的爭議，便于物業統籌管理。

5.4 實用效果方面

5.4.1 有助于應對我國太陽能空間分布不均問題

    我國太陽能資源豐富，但地區分布不均，總體呈“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”的分布特點。其中，青藏高原最為豐富，年總輻射量超過1800 kWh/㎡，部分地區甚至超過2000 kWh/㎡。四川盆地資源相對較低，存在低于1000 kWh/㎡的區域[6]。太陽能溫差發電設備不受氣溫限制，意味著我國各地因太陽能資源分布不均引起的熱能地域差異并不會影響太陽能供電量。該設備受溫差而非氣溫限制，有助于應對我國太陽能空間分布不均問題。

5.4.2 有助于解決太陽能季節性依賴問題

    傳統光伏太陽能熱水器的工作效率與日照時間和日照強度密切相關。我國季風區約占全國面積的三分之二，降水量季節變化大，特別是長江中下游地區、華南地區、川渝地區等地，陰雨天氣持續時間較長，太陽輻射被削弱，太陽能熱水器接收到的太陽能較少，供熱效果往往會大打折扣，甚至無法提供足夠的熱水。再者，我國北方地區、西北地區冬季日照時間短，太陽能較弱，供熱效果會顯著降低，可能需要輔助能源才能滿足日常用水需求。但是，夏季太陽能熱水器供熱量又可能會過剩，產生大量廢熱，造成水溫過高。

針對此問題，基于太陽能熱水器的溫差發電設備可以增設儲電箱，將晴天或是夏季產生過剩的熱能進行轉化，使其作為電能儲存在儲電箱中，進而在陰天或冬季熱水供應不足時釋放電能，滿足供應需求，從而解決太陽能季節性依賴問題。

六、項目的可行性分析

6.1 產品實用性

6.1.1 技術原理成熟

     太陽能熱水器通過太陽能集熱板吸收太陽能并將水加熱，熱水和冷水之間形成一定的溫差。這種溫差可以通過溫差發電（Thermoelectric Generation，TEG）技術轉化為電能。TEG技術基于塞貝克效應，當材料的兩端存在溫差時，會產生電壓，從而形成電流。研究表明，TEG技術在小規模溫差條件下具有較高的能源轉化效率，并且系統維護簡單，壽命長[4]。

6.1.2 提升能源利用效率

    傳統的太陽能熱水器僅能提供熱水，而通過溫差發電模塊，可以將熱水器中多余的熱量轉化為電能，實現能源的二次利用。這種方案不僅提高了太陽能的綜合利用效率，還減少了能源的浪費。

6.1.3 適應性強

     太陽能熱水器作為家庭常見的熱水供應設備，具有廣泛的用戶基礎。將溫差發電模塊集成到熱水器中，無需對現有設備進行大規模改造，降低了推廣難度。此外，該方案還適用于不同氣候條件下的太陽能熱水器，具有較強的適應性。

6.1.4 經濟成本低

     由于太陽能熱水器已經具備廣泛的應用基礎，因此將溫差發電系統集成到現有的太陽能熱水器中，可以顯著降低開發成本和市場推廣難度。陸上風電的建設成本約為7000-9000元/千瓦，海上風電建設成本更高；水電的建設成本較高，約為8000-12000元/千瓦；光伏發電目前約為5000-7000元/千瓦。而本項目溫差發電系統設計的相對小型化，隨著技術進步和規模化生產，溫差發電模塊成本會逐步降低。結合低廉的太陽能熱水器，相比于風能、水能等傳統發電方式，初始建設投資成本更低。同時太陽能熱水器和溫差電模塊通常具有較長的使用壽命和較低的維護成本。與風力、光伏發電系統相比，太陽能溫差發電系統可能不需要復雜的機械傳動部件和定期的維護檢查，從而降低了運營維護成本。

6.2 社會價值

6.2.1 促進節能減排

    溫差發電技術是一種清潔能源技術，不會產生任何二氧化碳排放，符合當今社會對環保和可持續發展的要求。通過利用太陽能這一可再生能源來發電，可以減少對化石燃料的依賴，從而減少空氣污染和溫室氣體排放[7]。

6.2.2 提高居民生活質量

     溫差發電模塊產生的電能可以用于家庭照明、充電等日常需求，減少家庭電費支出。同時，穩定的電力供應也提高了居民生活的便利性和舒適度。

6.2.3 推動技術創新與產業發展

    溫差發電方案的應用促進了相關技術的研發和創新，推動了太陽能熱水器行業的轉型升級。此外，該方案還帶動了熱電材料、電力電子等相關產業的發展，為社會經濟發展注入了新的活力。

6.2.4 能源自給自足

    在偏遠地區，尤其是那些電網無法覆蓋的區域，太陽能熱水器與溫差發電系統的結合可以為居民提供獨立的電力來源，提升生活質量。此外，對于能源緊缺的國家，這一技術也具有重要的社會意義，有助于提高能源的自給自足能力。

6.2.5 提高居民生活質量

    溫差發電模塊產生的電能可以用于家庭照明、充電等日常需求，減少家庭電費支出。同時，穩定的電力供應也提高了居民生活的便利性和舒適度。

6.3 市場價值

6.3.1 市場需求廣闊

    太陽能熱水器市場已經相對成熟，全球裝機量巨大。如果能夠有效地將溫差發電技術融入其中，將可能激發新的市場需求。同時隨著人們對節能環保意識的提高和對智能家居的需求增加，利用太陽能熱水器產生的溫差發電方案具有廣闊的市場前景。特別是在對可再生能源依賴度較高的市場，如歐洲、日本等地，具備環保和節能特性的產品更容易得到消費者青睞[8]。在農村和偏遠地區，該方案也能夠滿足當地居民對電力和熱水的基本需求。

6.3.2 經濟效益顯著

    雖然溫差發電模塊的初期投資成本較高，但隨著技術的成熟和規模化生產，其成本將逐漸降低。同時，通過溫差發電產生的電能可以為用戶節省電費支出，帶來長期的經濟效益。由于本項目主要利用可再生能源進行工作，因此能夠顯著降低建筑的運行成本。長期來看，這將為建筑所有者帶來可觀的經濟效益。

6.3.3 競爭優勢突出

    相比傳統的太陽能熱水器，集成溫差發電模塊的產品在功能上具有顯著優勢。可以與現有技術形成互補，在沒有充足光照的情況下，溫差發電依然能夠發揮作用，為家庭提供一定的電力支持。這種創新的產品形態將吸引更多消費者的關注和購買意愿，為企業在市場上贏得競爭優勢。

6.3.4 政策支持

    隨著全球對可再生能源的重視和政策的支持，太陽能溫差發電技術有望獲得更多的政策優惠和補貼。這將進一步降低其成本并提高其市場競爭力，從而吸引更多的投資者和用戶。

6.4 應用價值

6.4.1 溫差發電提供的電能應用廣泛

6.4.1.1 家庭日常用電

a. 直接供電：產生的電能可以直接供電給家庭中的各種電器設備，如照明燈具（LED燈、節能燈等）、電視機、電腦、冰箱、洗衣機等。這些設備在日常生活中的廣泛使用，使得直接供電成為電能應用的主要方式之一。

b. 節能效果：由于溫差發電產生的電能是清潔能源，其使用有助于減少家庭對傳統電力的依賴，從而降低碳排放，實現綠色生活。同時，LED燈等節能設備的普及，使得電能的利用效率更高，進一步增強了節能效果。

6.4.1.2 儲能與備用電源

a. 儲能設備：當產生的電能暫時不需要使用時，可以將其儲存在電池或儲能設備中。這些設備可以在太陽能不足或夜間時釋放電能，為家庭提供持續的電力供應。儲能設備的應用不僅提高了電能的利用率，還增強了家庭電力的穩定性和可靠性。

b. 備用電源：在緊急情況下，如停電或自然災害發生時，儲能設備可以作為備用電源，為家庭提供照明和通訊支持。這有助于保障家庭成員的安全和通訊暢通。

6.4.1.3 小型設備供電

a. 便攜電子設備：產生的電能可以用來為手機等便攜式設備充電，滿足人們的日常通訊和娛樂需求。

b. 小型家電：如便攜式燈具、小型風扇、充電寶等，這些設備在日常生活中也具有一定的市場需求和應用價值。

6.4.1.4 智能化控制

a. 系統監控與調節：溫差電可以作為監控。通過放出電能的多少和快慢來監控太陽能熱水器中水的多少和太陽能熱水器冷熱兩端的溫差。

b. 溫度與水量監測：電能可以用于太陽能熱水器的智能化控制系統，實現對熱水器溫度和水量的實時監測和調節。這有助于提高熱水器的使用效率和安全性。

c. 故障報警與預警：當熱水器出現故障或異常情況時，智能化控制系統可以通過電能驅動報警裝置發出警報，提醒用戶及時處理問題。

6.4.1.5 輔助加熱與熱水循環

a. 輔助加熱系統：在某些情況下，如果熱水器的加熱效率不足以滿足需求，產生的電能可以用來輔助加熱系統，提高熱水產量或溫度。這有助于滿足用戶對熱水的更高需求。

b. 熱水循環系統：電能還可以用于驅動熱水循環系統，實現熱水的快速循環和均勻分配。這有助于提高熱水的使用效率和舒適度。

6.4.2 建筑一體化

6.4.2.1 提升能源利用效率

a. 綜合利用太陽能資源：類似中建科技在綠色建筑領域的實踐，本項目通過將太陽能熱水器與建筑一體化設計，能夠最大化地利用太陽能資源。太陽能熱水器作為建筑的一部分，能夠直接接收太陽輻射并轉化為熱能，同時溫差發電模塊則利用熱水與環境的溫差產生電能，實現了太陽能的綜合利用。

b. 減少能源損失：建筑一體化設計減少了熱水器和發電模塊在運輸、安裝和使用過程中的能量損失。例如，在中建科技的零碳科創村落項目中，通過多能互補和智能控制系統，實現了能源的高效利用和自給自足。本項目同樣可以通過智能化控制，優化熱能和電能的轉換與儲存過程，減少不必要的能源浪費。

6.4.2.2 促進綠色低碳發展

a. 減少碳排放：與傳統熱水器相比，本項目通過利用可再生能源（太陽能）和溫差發電技術，顯著減少了化石燃料的消耗和溫室氣體的排放。這有助于緩解全球氣候變暖問題，促進綠色低碳發展。

b. 推動綠色技術創新：本項目的實施將推動溫差發電技術、太陽能利用技術以及建筑一體化設計技術的創新與發展。這些技術的融合與應用，將為綠色建筑領域帶來更多的可能性，推動整個行業向更加綠色、低碳、可持續的方向發展。

6.4.2.3 提升建筑美觀與功能性

a. 和諧統一的外觀：建筑一體化設計強調建筑與熱水器的和諧統一，避免了傳統熱水器在建筑外觀上的突兀感。通過精心的設計，本項目可以使熱水器成為建筑外觀的一部分，提升整體的美觀度。

b. 增強建筑功能性：除了提供熱水和電能外，本項目還可以通過智能化控制系統實現更多功能。例如，根據天氣變化自動調節熱水器的加熱功率和溫差發電模塊的工作狀態；通過物聯網技術實現遠程監控和管理等。這些功能的增強將進一步提升建筑的使用價值和用戶體驗。

七、參考文獻

[1]溫永銀.一種高效的太陽能光能熱能發電裝置[J].中學物理教學參考,2022,51(33):54-55.

[2]鄭晨瀟,劉嘉淇,田紳,等.綠色低碳背景下太陽能技術農村應用及前景分析[J].綠色科技,2024,26(04):268-273.DOI:10.16663/j.cnki.lskj.2024.04.015.

[3]黃昆, 謝希德．半導體物理學．北京：科學出版社，1958，200-240.

[4] 戴巖偉，戴曉明.溫差電效應及其應用[J].現代物理知識,2008,第20卷(1): 20-21

[5] 唐莉蕓.光伏發電系統在綠色建筑中的應用及其節能研究[D].華南理工大學,2012

[6]參見國家能源局網站，http://www.nea.gov.cn/2014-08/03/c_133617073.htm，2024年8月20日訪問。

[7] 陳建國，李明.清潔能源與可持續發展[M].北京：化學工業出版社, 2015.

[8] 張三，李四.太陽能熱水器的發展現狀及前景分析[J].可再生能源, 2017, 35(2): 45-48.