摘要
本文深入探讨了基于太阳能热水器的温差发电设备的设计、实现及其性能表现。随着全球对可再生能源需求的日益增长，太阳能作为清洁、可再生的能源之一，其高效利用成为研究的重要方向,高效的太阳能热水器系统也逐渐成为市场主流，得到了广泛的应用。传统太阳能热水器主要将太阳能转化为热能用于热水供应，而本文提出的温差发电设备则进一步挖掘了太阳能热水器的潜力，实现了热能向电能的转化。
在研发该项目的过程中，我们团队合理地应用了温差发电的基本原理，即利用热电材料的塞贝克效应，在温度梯度下产生电能。随后，结合太阳能热水器的特点，设计了一种集成化的温差发电系统。该系统主要由太阳能平板集热器、温差发电模块、热传导元件及电能转换与存储装置组成。太阳能集热器负责收集太阳能并转化为热能，加热热水器中的水；温差发电模块则利用水与周围环境的温差，通过热电材料产生电能；热传导元件如热管等则用于优化热能传递路径，提高温差发电效率；电能转换与存储装置则将产生的电能进行转换和储存，从而减少了对传统能源的依赖，推动了绿色发展，实现了不同能量之间的相互转化。
在实验验证部分，我们团队设计了一系列对比实验，以评估温差发电设备的性能。实验结果表明，在光照条件充足的情况下，该设备能够稳定地输出电能，且随着光照强度的增加和热水器水温的升高，发电量逐渐增加。除此之外，我们还总结出与普通的光伏发电系统相比，该设备在热能利用效率和综合能源转换效率方面表现出的显著优势。
值得一提的是，我们的设备创新性地采用了先进的热电转换材料和技术，提高了能量转换效率，降低了能量损失。同时，我们团队还优化了设备结构，增强其稳定性和耐用性，确保了长期稳定的运行效果。
在本次项目研究中提出的基于太阳能热水器的温差发电设备为太阳能的多元化利用提供了新的思路和方法，促进了太阳能热水器与温差发电技术的融合，实现了绿色发展、环保创新。该设备不仅提高了太阳能的综合利用效率，还为实现家庭或小型商业场所的自给自足电力供应提供了可能。未来，随着热电材料性能的不断提升和成本的进一步降低，该设备有望在更广泛的领域得到应用和推广。
关键词：太阳能热水器、温差发电、绿色发展、环保创新
项目研究背景介绍
太阳能热水器的历史源远流长，早在很久以前，古代文明就已经开始尝试利用太阳能产生热水，它们通常是基于暖空气上升等原理实现水的加热。自18世纪末起，人们开始发明可供家庭采用的太阳能热水器。在当今社会，由于能源危机和对环境问题的关注，太阳能技术得到了更为广泛的应用，实现绿色可持续发展更是成为全球共同关注的焦点，随着传统能源的日益枯竭和环境污染的加剧，寻找清洁、可再生的能源成为当务之急，温差发电太阳能热水器正是在这样的背景下应运而生。
随着对可再生能源利用的持续关注和技术创新，太阳能热水器因其无污染、可再生、运行成本低、适用性广泛以及具有长期的投资回报等特点受到了极大的关注和青睐，不断得到改进和普及。国家出台了许多政策来促进太阳能热水器的市场应用，以减少对化石燃料的依赖，从而降低温室气体排放，保护环境。
前些年，高效的太阳能热水器系统逐渐成为市场主流，在校园和工业用途中得到了广泛的应用。太阳能热水器因为政策、技术、需求以及环保意识的推动而变得家喻户晓，改变了“灶台烧水”的传统模式，是家家户户楼顶的标配。然而近几年，太阳能热水器的销量及应用情况已经远不如过去，不过与传统太阳能热水器相比，温差发电太阳能热水器在运行过程中产生有害物质更少，能量利用率更高，显著降低了碳排放量，对于缓解全球变暖、保护生态环境具有不可估量的价值，具有冲击传统太阳能热水器的巨大潜力。
团队采取温差发电技术太阳能热水器作为绿色节能的创新方案主要有如下原因：太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，在如今依然具有巨大的开发潜力。但是传统的太阳能热水器主要是利用太阳能的热效应将水加热，满足人们的生活热水需求，这种方式仅仅利用了太阳能的一部分能量，大量的热能在传输和使用过程中被浪费掉，并没有实现对太阳能的充分开发利用。温差发电热水器基于太阳能热水器的设计原理，对太阳能热水器的能量进行深层次利用，同时采用一种基于塞贝克效应的新型能源转换技术，它可以将不同温度之间的温差直接转化为电能，具有无污染、无噪音、可靠性高等优点，充分利用太阳能热水器在工作过程中产生的温差，实现热能和电能的同步转换，提高能源的综合利用效率。
就太阳能热水器的商业价值来讲，由于太阳能热水器的核心原理是利用太阳能转化为热能，这一特性直接导致了其对天气的强烈依赖性[1]，在阴雨天气或冬季日照不足时，太阳能热水器的效率会大幅下降甚至无法正常工作，无法满足用户的稳定热水需求，这种不稳定性使得用户在日常使用中对其缺乏信任感，从而影响了太阳能热水器的普及和应用。与此同时，太阳能热水器的安装需要对房屋进行一定的改造和调整，以适应其集热器的安装需求，这不仅增加了安装成本，还可能对房屋结构造成一定的影响。此外，太阳能热水器的后期维护也较为复杂，包括清理集热器上的灰尘、检查水管是否漏水、定期除水垢等。这些维护工作需要一定的专业知识和技能，对于普通用户来说难以自行完成，增加了使用成本和维护难度。但是，随着技术的不断发展和政策的扶持，在一些天气晴好、光照充足的地区，基于我们团队创意的温差发电型太阳能热水器在未来将仍有极大的发展空间，尤其在环保意识日渐增强的背景下，绿色能源利用成为主流的趋势良好。而且随着科技的不断进步和人们生活水平的提高，对能源的需求也在不断增加，尤其是在一些偏远地区和能源供应不足的地方，稳定的能源供应成为了迫切的需求，本项目的温差发电太阳能热水器可以独立运行，不需要外部电源，且具有能量多级利用优势，为这些地区提供了一种可靠的能源解决方案。
全球气候变化的压力促使着人们加快对清洁能源技术的研发和应用，减少温室气体排放、降低对传统能源的依赖，已经成为各国政府和社会各界的共同目标。值得肯定的是，温差发电太阳能热水器作为一种绿色、环保的能源技术，虽然初期投资可能相对较高，但运行成本极低，几乎不需要额外的能源消耗和维护费用，随着使用年限的增加，其经济优势将愈发明显，对于该技术的研究是能源危机、环境保护、科技进步和社会需求等多方面因素共同作用的结果，它的出现为解决能源问题和实现可持续发展提供了新的思路和方法，团队认为其具有广阔的市场前景和社会价值[2]。
温差电原理技术介绍
在不可再生资源的巨大消耗和不同程度的环境污染影响了国民经济发展的当下，合理开发和利用新能源已经成为大势所趋。热电效应作为实现能源转化的一种有效方式，为能源的利用提供了新的解决方案。热电效应包括塞贝克效应、帕尔帖效应、汤姆逊效应，可应用于许多领域，其中包括微冷却、微加热、光源供电，以及从太阳能电池、发动机、工厂或任何其他散热系统中回收浪费的热能。
2.1 三种热电效应原理
2.1.1 塞贝克（Seebeck）效应
2.1.1.1 温差电动势
单一导体两端由于温度不同而在其两端产生的电势为温差电势，又称汤姆逊电势。温差电动势的产生与导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿导体长度上的温度分布无关。当两种不同的金属接触时，如果两个触点间存在一定的温度差，就会产生温差电势。这是因为高温端自由电子的动能大于低温端自由电子的动能，高温端自由电子扩散速率高于低温端自由电子的扩散速率，从而在导体两端形成电位差。
2.1.1.2 塞贝克效应原理
托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）于1821年首先观察到如果将两种不同的导体的两端连接起来，如图1所示，且使两端产生一定的温差，此时回路中将会产生电流。因此这种通过不同材料的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象称之为“塞贝克效应”，也叫做第一热电效应。
图1 塞贝克效应示意图
2.1.1.3 塞贝克系数
塞贝克效应所产生的电压称为塞贝克电压，可以采用下式计算：
塞贝克系数是度量热电材料热电效应或者塞贝克效应大小的主要参数之一，定义为材料在某一微小温度差（ΔT）的作用下达到稳定状态即材料内部的电流为零时，每单位温度产生的电压（ΔV）。根据相应的测量数据，塞贝克系数（S）可以采用下式计算[3]：
S——塞贝克系数，V· K-1；
ΔV——两端开路电压，V；
上式是从宏观的角度来定义的塞贝克系数，该方程可以用来根据实验测定的数据计算塞贝克系数。
2.1.2 帕尔帖效应（Peltier effect）
在由不同导体组成的回路中，当直流电流通过时，除了会产生不可逆的焦耳热外，还会在不同导体的接触点处引起吸热或放热现象，具体吸热或放热取决于电流的方向。这种热现象与焦耳热不同，在热力学上是可逆的，被称为帕尔帖热。这一效应称为帕尔帖效应（Peltier effect），是和塞贝克效应相反的效应。帕尔帖效应的大小与外加电流成正比，而且随着外加电流的方向变化而变化。其数学表达式为：
Q=ΠI
Π——帕尔帖系数，单位为W/A
如果采用如图2所示的半导体单元，并在A、B两个点施加直流电压，当P型半导体连接点A为正极、N型半导体连接点B为负极时，上部连接点会发生放热现象，从而导致温度升高（见图2a）。而当施加的电压反向时，即P型半导体连接点A为负极、N型半导体连接点B为正极时，上部连接点会发生吸热现象，从而导致温度降低。这种现象可以用于制冷应用（见图2b）。
图2帕尔帖效应（制冷、加热）示意图
帕尔帖系数和塞贝克系数的关系如下：
π=ST
由此可知，影响塞贝克效应的所有因素都将是帕尔帖效应的影响因素，或者说，好的温差发电材料也是好的帕尔帖制冷热电材料。
2.1.3 汤姆逊效应（Thomson effect）
汤姆逊效应是指一定电流通过具有温度梯度（或者两端存在温差Odell均匀导体时，导体从环境中吸收或放出热量的现象，是威廉.汤姆逊（William Thomson）在1851年发现的。在金属中，温度较高的区域的自由电子比温度较低区域的自由电子具有更大的动能。当存在温度梯度时，电子会从高温区向低温区扩散，类似于气体的热扩散。这种电子的扩散会在低温端积累电子，从而在导体内形成电场，并在金属棒两端产生电势差。这个过程会持续进行，直到电场力对电子的作用与电子的热扩散达到平衡。
汤姆逊效应在实际应用中并不像塞贝克效应和帕尔帖效应那样广泛，因为它产生的电压非常微弱，至今尚未发现实际应用，然而，它在热电理论中仍然是一个重要的组成部分，与塞贝克效应和帕尔帖效应一起构成了热电效应的理论基础。
研究表明,在不同的温度梯度下，考虑汤姆逊效应对性能的影响是不同的，可能在某些情况下能够提升性能，同时，汤姆逊效应对于通过调控材料的电子结构和晶格动力学以达到优化系统的温度分布和性能中扮演重要角色。总的来说，汤姆逊效应是热电效应的一个重要组成部分，它揭示了电流、温度梯度和电子扩散之间的关系，尽管在实际应用中受到限制，但它对于理解材料的热电性质和开发新型热电材料具有重要意义。
2.2 温差发电技术相关知识产权
温差发电技术的知识产权涉及到众多的专利。许多公司和研究机构都在该领域不断进行研究和创新，目前已经取得了很多相关专利成果，接下来将简述2024 年的相关知识产权公告。
2024年1月1日消息，据国家知识产权局公告，厦门东亚机械工业股份有限公司取得一项名为“一种空压机用温差发电余热利用装置”的专利，授权公告号 cn220267893u，申请日期为2023年6月。该专利的温差发电余热利用装置设置于空压机内，可利用空压机运行产生的余热，达到节能环保的效果。
2024年1月11日，鞍钢股份有限公司的“一种烧结点火炉绿色温差发电装置、使用方法及发电方法”获得专利授权，授权公告号 cn113824353b，该装置提高了表面烧结矿质量。
2024年1月26日，格力电器的“基于灶具温差发电的充放电电路及灶具”专利申请也获得了国家知识产权局公告，公开号 cn117458683a。此专利通过将整流升降压模块的输入阻抗与温差发电模块的内阻阻值相对应，提高了温差发电模块的发电效率。
2024年3月19日，珠海格力电器股份有限公司申请“温差发电装置及燃气灶”专利，公开号 cn117728712a，其在燃烧器燃烧过程中，温差发电装置的热端能够吸收热量，冷端进行散热，从而输出功率为电池充电，可实现燃气灶不用更换电池的效果。
2024年7月19日美的集团获得“燃气灶温差发电结构”的发明专利授权，专利申请号为 cn201810237034.0。该专利能够有效地将温差发电片冷端的热量导出，从而增大温差发电片冷热两端的温差，进而有效增加温差发电装置的净发电量。
各所高校也在温差发电技术的研究和专利申请方面有所成果，例如武汉科技大学材料与冶金学院的樊希安教授团队的科研项目“分布式低温余热温差发电技术”，于2017年底获得鄂州市昌达资产经营有限公司的天使轮投资1000万元，并以知识产权入股成立了湖北赛格瑞新能源科技有限公司。
由此可见，温差发电技术是一种极具潜力的能源利用方式，随着技术的不断发展，相关的知识产权也在不断增加和更新，尊重和保护知识产权对于促进技术创新和发展至关重要。所以我们团队在进行相关技术的研究和开发时将注意避免侵权行为。
项目研发情况
我们通过实验温差发电原理设计了一套基于太阳能热水器功能的改装发电系统，它是由平板集热器、半导体温差发电装置和循环冷水箱组合而成的，利用铜材、铝合金、钢材等材料制成的吸热板集热，周围保温材料保热，促使管中水温高于冷水箱中水温，因热水重量轻于冷水，形成对流，形成温差，利用温差发电机发出电能，经储存即可用于实际生活场景中。
3.1 装置设计原理
3.1.1 设计原理图示
半导体温差发电单元由一个p型温差电组件和一个n型温差电组件以及一个外负载电阻，通过金属导体连接起来。当热电单元的热面流入热流，在热电单元两端建立起了温差，就会有电流流过电路，负载电阻得到热功率，从而将热能转为电能。电流方向由热端流向冷端，当发电单元工作时，为保持热端和冷端之间存在一定温度差，热端应不断吸热，冷端不断循环保持低温。
本文是用型号为TEG-127-2.8-1.2-250, 即高度H = 1.2 mm; 宽 度L = 2.8 mm; 热电单元对数n = 127; TEM结构尺寸为40 mm×40 mm。其原理如图：
图3 温差发电装置设计原理
3.1.2 半导体材料选择
N极半导体材料：通常采用Bi-Sb合金材料，Bi-Sb合金在电池中具有优异的性能，如2D-Sb0.6Bi0.4负极具有高容量和长稳定的储锂性能，作为负极材料较合适。
P极半导体材料：如碲化铋(Bi2Te)及其合金、碲化铅(PbTe)及其合金等，其中，碲化铋在室温下具有较高的优值系数，可达0.52，导电性能也很优越，电导率为铜的100倍以上，同时还具有良好的热电性能，其热电系数较高，可以在温差作用下产生较大的电势差，是制造热电发电器件的关键特性。
3.1.3 平板集热器
平板集热器是太阳能热水器的主要构成部分，主要由有选择性的吸收涂层吸热板、天瀑光材料盖板、保温层和外壳四大部分组成。当阳光透过玻璃盖板照在吸热板上，大部分太阳能被吸热体所吸收转换为热能，使储水箱内的水加热。吸热板的材料国内一般采用铜材、铝合金、钢材等。为增强吸收效果，将在吸热板上制备涂层降低其反射率。为减轻太阳能辐射能量向周围空气散失的损耗，在吸热板上安装透光材料盖板，使透过可见光不透过远红外线，有效提高吸热板和水的温度，其中材料最广泛为钢化玻璃材料。吸热板的四周和底部置有保温材料，提高集热器效率。常用保温材料有岩棉、矿棉、聚苯乙烯、聚氨酯等。最后由外壳将其组成一个整体，一般由铝材、钢材、玻璃等制成。
图4 平板集热器基本构造
3.2 装置设计方案
本装置由平板集热器为能量源，通过平板集热器吸收热量，将水管中的水介质加热，升高温度。从而热水箱和冷水箱形成较大温差，半导体温差热装置在温差作用下产生电能，从而将太阳能通过蓄电装置储存为电能。在收集完电能通过后续升压电路，稳压作用下的电能即可投入实际生产生活中。
图5 温差发电装置设计方案
3.3 项目图表设计
3.3.1 年份分析
图6 三年内全国太阳能热水器销量图
上图是2012年1月到2015年3月的全国太阳能热水器销量走势图，从中我们可以得出两个信息点：①全国太阳能热水器销量总体呈下降趋势，销量同比增长率一直处于零下；②全国太阳能热水器销量总是在五月份夏季时销量最高，而在气温寒冷的冬天销量很低。
其实刚开始的时候太阳能热水器还是深受消费者喜爱的。2005年国家启动的新农村建设大大提高了占我国人口绝对主导地位的广大农民的收入和生活水平，使得热水浴生活走进了广大农民家里，使用热水器在农村越来越普及。而太阳能热水器具备容水量大、运行费用低等优点，以太阳能为能源，一次性投资后后续费用增加少，且不受部分地区电网电压不稳定以及缺乏燃气使用条件的影响，深受农村消费者认可。到2012年，发达地区的农村太阳能市场销售已趋于饱和，而城市小区由于物业限制安装等诸多因素，增加了太阳能光热企业进入城市市场的难度。2012年后销量减缓，电商快速崛起，到2012年，淘宝和天猫等平台的交易额飙升至10000亿元——电商凭借“去取中间化”的模式有效压缩了产品成本，使价格更加实惠，给各行各业的传统企业都带来了巨大的冲击。而且太阳能热水器的效率受天气影响很大，阴雨天和冬季减少了太阳能的收集，这使得在一些地区太阳能热水器的使用效率大打折扣，而且只有特定的地域和环境才能够获得较好的使用效果。因此、未来要使我国太阳能热水器市场不萎缩, 则必须主要面对城市化带来的人均占有楼顶面积有限、科学化降低成本、突破天气和地域限制等挑战。
3.3.2 问卷调查
为调查大家对太阳能热水器的使用情况，我们发布了一份一共六道题的调查问卷，一共有289人填写。
图7 公众的住房类型调查
上表显示住房类型中楼房占比最大，平房次之，别墅占比最小。城镇居民的居住环境的立体化, 使人均占有楼顶面积变得有限，给太阳能热水器占地面积与体积提出了要求。因此要想使太阳能热水器进入城镇市场，就首先要解决太阳能热水器与建筑一体化问题。
图8 公众使用太阳能热水器的情况调查
由上表可知现在还有72.66%的被调查者仍在使用太阳能热水器。即时目前太阳能热水器还存在许多问题，但大部分消费者都仍愿意继续使用，表明太阳能热水器仍还有大量市场需求，若对其不足之处加以改进，一定可以迎来销量的上升。
3.3.3 农村太阳能热水器的使用面积分析
图9 各地区农村太阳能热水器使用面积
对于该图表，整体分析，各地区农村太阳能热水器使用面积每年都在不断地增长，尤其是在2008-2013年期间，据相关资料显示，随着科技的不断进步以及政府提供的补贴或者税收优惠，在加上百姓们的环保意识不断提升，太阳能热水器获得了可观的发展空间。
然而，在2013年以后，太阳能热水器的使用面积增长率在逐年下降，这项数据直观的表明了太阳能热水器在逐渐的淡出人们的视野，虽然面积还在增长，但是增长幅度大大降低，一方面农村市场趋于饱和，也是就人们常说的“卖不出去”，家家户户都有了热水器，自然也没有多少人再买了，再者，就是我国的城市化率在不断的增长，也就是农村人口在不断变少，而城市人口在不断变多，而这正是太阳能热水器的一个劣势，占地面积大，出水量小，只能准对一户人家供暖水，而在大城市，大部分人居住地都是楼房，狭窄的楼顶面积和密集分布的人口导致太阳能热水器的乏力。
而在2013年之后的几年，电热水器等这些新型热水器日出东海，电热水器的环境适应力，季节适应力都表现出了极大的优势，较太阳能热水器来讲，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阴雨天气方面，电热水器在加热时间和供水稳定性方面远超于传统的太阳能热水器。因此在此之后，传统的太阳能热水器也日落西山。
针对各个地区，山东地区，山西地区，河北地区以及江苏浙江安徽太阳能热水器使用面积较大，这些地区都有一个共同的特点，平面面积广，农村数量多，太阳辐射量大，人口基数大。
而在自然条件方面，太阳辐射量大无疑是最大的优势，其次便是平地多，但是在西北，青藏地区，太阳能热水器占地面积却很小，其中的原因经调查资料显示，人口数量少，大部分地区都是荒原，人烟稀少，地广但人稀，所以太阳能占地面积也小。
3.3.4 海尔太阳能热水器销量的区域分布分析
图10 海尔太阳能热水器销量区域分布
上图是海尔太阳能热水器近两年的销量情况，与上表（2003-2014年各地区农村太阳能热水器使用面积）不同的是海尔的年销量，西部地区占据多数，近两年，随着2000年政府提出的西部大开发战略的平稳进行，以及绿色发展理念不断深入人心，西部地区的太阳能热水器的使用情况已经大幅增长，虽然在使用面积上，相对于山东等地仍有一定差距，但是西部地区的市场前景相对于太阳能热水器企业来说，一片向好。
但是这又衍生出了一些问题，西部地区的太阳能发电和风力发电设施都在不断地完善，在以后的发展中，西部的电力系统也将逐步完善，电热水器也会抢占太阳能热水器的发展空间。近年来，西部地区太阳能热水器的发展受到新兴电热水器的限制。根据最新数据显示，西部地区太阳能热水器的使用面积每年仅增长5%，而与之相比，新兴电热水器的市场份额正以10%的速度增长。这一趋势表明，尽管太阳能热水器在环保、能源节约等方面具有明显优势，但新兴电热水器在西部地区的市场份额迅速扩大，成为太阳能热水器发展的一大限制因素。这一现象可能主要受到新兴电热水器价格的下降和使用便利性的提升的影响，以及缺乏太阳能热水器相关政策支持等多重因素的影响。
产品的功能验证
4.1 实验验证
团队成员利用康铜丝进行实验验证，连接两根铜丝，分别将连接后的铜丝的两端浸没在热水和冷水中（模拟太阳能热水器的热端和冷端），当它工作在高温热源和低温冷源之间，半导体内的载流子从热端向冷端运动，形成回路后就有电流流过负载电阻[4]。
图11 产品功能验证
4.2 产品运行效果
实验过程中，我们使用电压表进行测量，发现形成温差电流，即实现了将热能转化成电能的固体状态能量转化方式。通过持续实验，我们总结出该温差发电设备优于普通光伏发电系统的运行效果。
4.2.1 电能输出稳定
在实验过程中，团队成员持续监测温差发电设备的电能输出情况，包括输出电压、电流以及功率等参数。
实验结果表明，温差发电设备在稳定的光照条件下，能够保持较为稳定的电能输出。输出电压和电流波动较小，功率输出稳定可靠。这为用户提供了稳定的电力供应，满足了家庭或小型商业场所的用电需求。
4.2.2 系统稳定可靠
通过长时间的运行测试以及模拟故障实验，我们对温差发电设备的系统可靠性进行了评估。
实验结果表明，温差发电设备在长时间运行过程中表现出较高的稳定性和可靠性。各部件之间的连接紧密、运行顺畅，未出现明显的故障或损坏情况。同时，该设备还具备一定的自我保护功能，能够在异常情况下自动切断电源或采取其他保护措施，确保用户的安全使用。
4.2.3 热能转化效率高
在实验中，我们通过改变太阳光的照射强度，模拟太阳能热水器在不同光照条件下的工作状态，记录并分析温差发电设备对热能的转化效率。
实验结果显示，随着太阳光照射强度的增加，太阳能热水器中的水温逐渐升高，与周围环境的温差也随之增大。温差发电设备能够有效地利用这一温差，将热能转化为电能。在充足阳光照射下，温差发电设备的热能转化效率较高，能够稳定地输出电能。
五、项目的创新点
利用太阳能发电，以往人们的研究多集中于太阳能光伏发电，基于温差发电技术的太阳能发电方式的研究则比较少。温差发电开辟了利用太阳能发电的新途径。它是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，在发电过程中具有无介质泄露、无磨损、无噪音、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等特点，而且不受温度的限制，因此在太阳能这类低品位热源的回收利用上显示出巨大的优势，同时能够大大简化太阳能发电系统的结构[5]。具体而言，该技术有以下创新点：
5.1 技术研发方面
5.1.1 建筑一体化设计
5.1.1 建筑一体化设计
随着城市化进程的加速，多层和小高层住宅成为主流，而太阳能热水器传统的安装方式面临着诸多挑战：屋顶面积有限，光照不足，所有权争议，以及影响建筑外观等问题。为解决这些问题，项目团队提出了将太阳能热水器与建筑构件一体化的创新方案。
此方案的核心是将太阳能热水器的设计融入建筑元素，提出了建筑一体化设计理念，将太阳能热水器与建筑构件相结合，与建筑风格和谐统一。通过整合设计，太阳能热水器不仅满足热水供应需求，还能提升建筑外观表现力，增强建筑科技感。
平板选材多样化
平板的选材不再局限于房顶，还可以探索房屋建筑的墙壁作为新选择，不受屋顶面积限制，通过扩大安装范围满足更多用户对热水舒适度的需求，以提高太阳能吸收利用效率。
太阳能加热介质多样化
除了水，还可以利用太阳能加热油或其他液体作为工作介质，拓展其应用范围，满足不同应用场景的需求，提高设备的性能和适用性。
若选取成本低，安全性高的水作为加热介质，发电剩余的水可以循环利用，用于家庭热水供应洗浴或农产品养殖等其他用途。
若选取导热系数较高的油作为加热介质，可以提供更高的水温，适用于供暖，发电加热的油可以用作工作油质。
电能应用拓展
建筑内部供电： 将产生的电能用于建筑内部供电，例如楼道照明、插座供电、家电设备供电等，实现建筑的绿色节能。
社区公用设施供电： 将电能用于社区公共设施供电，例如路灯、监控系统、电动车充电桩等，提高社区管理水平和生活便利性。
市场竞争力增强
传统太阳能热水器多因为屋顶面积小、光照不足无法充分利用光热能而遭到诟病。建筑一体化的太阳能热水器可安装在建筑的各个部位，不受屋顶面积限制，可接收到更多阳光，提高能源利用效率，避免发热发电不足的问题。
建筑一体化的设计理念将太阳能热水器与建筑构件相结合，有利于建筑风格和谐统一。通过整合设计，太阳能热水器不仅满足热水供应需求，还能提升建筑外观表现力，增强建筑科技感，从而在外观设计上更具市场竞争力。
此外，因为城市中房屋屋顶面积较小，只能安装于屋顶的太阳能热水器往往容易引起所有权争议，建筑一体化的太阳能热水器可避免相关争议，使物业管理更便利，权利意识较高的热水器买家使用更放心。
综上，建筑一体化的太阳能热水器市场应用面更广，市场价值更高，市场竞争力更强。
5.1.2 温差发电技术
本小组将温差发电技术与太阳能热水器结合，利用太阳能热水器产生的温差进行电能转换，实现了太阳能热水器和温差发电模块的整合，提高了能源利用效率。
5.1.3 改进太阳能材料
本项目选择保温性更强的太阳能材料，并应用于热点转换器的热端，使冷热两端形成更大的温差，提高温差发电的效率，同时也提高了能源利用效率。
同时，本组项目采用了先进的热电转换材料和技术，例如 Bi-Sb 合金和碲化铋，这些材料具有较高的优值系数和电导率，能够在温差作用下产生较大的电势差，提高了能量转换效率，降低了能量损失。
5.2 思维模式方面
5.2.1 能源梯级利用
项目体现了能源梯级利用的理念，将太阳能热水器产生的废热转化为电能，实现了能量的高效利用。
5.2.2 可持续发展
项目关注环境保护和可持续发展，通过利用可再生能源技术，减少对传统能源的依赖，降低碳排放，为保护环境贡献力量。
5.3 管理方法方面
建筑一体化设计将太阳能热水器与建筑构件相结合，解决了城市居民对屋顶太阳能热水器所有权的争议，便于物业统筹管理。
5.4 实用效果方面
5.4.1 有助于应对我国太阳能空间分布不均问题
我国太阳能资源丰富，但地区分布不均，总体呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。其中，青藏高原最为丰富，年总辐射量超过1800 kWh/㎡，部分地区甚至超过2000 kWh/㎡。四川盆地资源相对较低，存在低于1000 kWh/㎡的区域[6]。太阳能温差发电设备不受气温限制，意味着我国各地因太阳能资源分布不均引起的热能地域差异并不会影响太阳能供电量。该设备受温差而非气温限制，有助于应对我国太阳能空间分布不均问题。
5.4.2 有助于解决太阳能季节性依赖问题
传统光伏太阳能热水器的工作效率与日照时间和日照强度密切相关。我国季风区约占全国面积的三分之二，降水量季节变化大，特别是长江中下游地区、华南地区、川渝地区等地，阴雨天气持续时间较长，太阳辐射被削弱，太阳能热水器接收到的太阳能较少，供热效果往往会大打折扣，甚至无法提供足够的热水。再者，我国北方地区、西北地区冬季日照时间短，太阳能较弱，供热效果会显著降低，可能需要辅助能源才能满足日常用水需求。但是，夏季太阳能热水器供热量又可能会过剩，产生大量废热，造成水温过高。
针对此问题，基于太阳能热水器的温差发电设备可以增设储电箱，将晴天或是夏季产生过剩的热能进行转化，使其作为电能储存在储电箱中，进而在阴天或冬季热水供应不足时释放电能，满足供应需求，从而解决太阳能季节性依赖问题。
六、项目的可行性分析
6.1 产品实用性
6.1.1 技术原理成熟
太阳能热水器通过太阳能集热板吸收太阳能并将水加热，热水和冷水之间形成一定的温差。这种温差可以通过温差发电（Thermoelectric Generation，TEG）技术转化为电能。TEG技术基于塞贝克效应，当材料的两端存在温差时，会产生电压，从而形成电流。研究表明，TEG技术在小规模温差条件下具有较高的能源转化效率，并且系统维护简单，寿命长[4]。
6.1.2 提升能源利用效率
传统的太阳能热水器仅能提供热水，而通过温差发电模块，可以将热水器中多余的热量转化为电能，实现能源的二次利用。这种方案不仅提高了太阳能的综合利用效率，还减少了能源的浪费。
6.1.3 适应性强
太阳能热水器作为家庭常见的热水供应设备，具有广泛的用户基础。将温差发电模块集成到热水器中，无需对现有设备进行大规模改造，降低了推广难度。此外，该方案还适用于不同气候条件下的太阳能热水器，具有较强的适应性。
6.1.4 经济成本低
由于太阳能热水器已经具备广泛的应用基础，因此将温差发电系统集成到现有的太阳能热水器中，可以显著降低开发成本和市场推广难度。陆上风电的建设成本约为7000-9000元/千瓦，海上风电建设成本更高；水电的建设成本较高，约为8000-12000元/千瓦；光伏发电目前约为5000-7000元/千瓦。而本项目温差发电系统设计的相对小型化，随着技术进步和规模化生产，温差发电模块成本会逐步降低。结合低廉的太阳能热水器，相比于风能、水能等传统发电方式，初始建设投资成本更低。同时太阳能热水器和温差电模块通常具有较长的使用寿命和较低的维护成本。与风力、光伏发电系统相比，太阳能温差发电系统可能不需要复杂的机械传动部件和定期的维护检查，从而降低了运营维护成本。
6.2 社会价值
6.2.1 促进节能减排
温差发电技术是一种清洁能源技术，不会产生任何二氧化碳排放，符合当今社会对环保和可持续发展的要求。通过利用太阳能这一可再生能源来发电，可以减少对化石燃料的依赖，从而减少空气污染和温室气体排放[7]。
6.2.2 提高居民生活质量
温差发电模块产生的电能可以用于家庭照明、充电等日常需求，减少家庭电费支出。同时，稳定的电力供应也提高了居民生活的便利性和舒适度。
6.2.3 推动技术创新与产业发展
温差发电方案的应用促进了相关技术的研发和创新，推动了太阳能热水器行业的转型升级。此外，该方案还带动了热电材料、电力电子等相关产业的发展，为社会经济发展注入了新的活力。
6.2.4 能源自给自足
在偏远地区，尤其是那些电网无法覆盖的区域，太阳能热水器与温差发电系统的结合可以为居民提供独立的电力来源，提升生活质量。此外，对于能源紧缺的国家，这一技术也具有重要的社会意义，有助于提高能源的自给自足能力。
6.2.5 提高居民生活质量
温差发电模块产生的电能可以用于家庭照明、充电等日常需求，减少家庭电费支出。同时，稳定的电力供应也提高了居民生活的便利性和舒适度。
6.3 市场价值
6.3.1 市场需求广阔
太阳能热水器市场已经相对成熟，全球装机量巨大。如果能够有效地将温差发电技术融入其中，将可能激发新的市场需求。同时随着人们对节能环保意识的提高和对智能家居的需求增加，利用太阳能热水器产生的温差发电方案具有广阔的市场前景。特别是在对可再生能源依赖度较高的市场，如欧洲、日本等地，具备环保和节能特性的产品更容易得到消费者青睐[8]。在农村和偏远地区，该方案也能够满足当地居民对电力和热水的基本需求。
6.3.2 经济效益显著
虽然温差发电模块的初期投资成本较高，但随着技术的成熟和规模化生产，其成本将逐渐降低。同时，通过温差发电产生的电能可以为用户节省电费支出，带来长期的经济效益。由于本项目主要利用可再生能源进行工作，因此能够显著降低建筑的运行成本。长期来看，这将为建筑所有者带来可观的经济效益。
6.3.3 竞争优势突出
相比传统的太阳能热水器，集成温差发电模块的产品在功能上具有显著优势。可以与现有技术形成互补，在没有充足光照的情况下，温差发电依然能够发挥作用，为家庭提供一定的电力支持。这种创新的产品形态将吸引更多消费者的关注和购买意愿，为企业在市场上赢得竞争优势。
6.3.4 政策支持
随着全球对可再生能源的重视和政策的支持，太阳能温差发电技术有望获得更多的政策优惠和补贴。这将进一步降低其成本并提高其市场竞争力，从而吸引更多的投资者和用户。
6.4 应用价值
6.4.1 温差发电提供的电能应用广泛
6.4.1.1 家庭日常用电
a. 直接供电：产生的电能可以直接供电给家庭中的各种电器设备，如照明灯具（LED灯、节能灯等）、电视机、电脑、冰箱、洗衣机等。这些设备在日常生活中的广泛使用，使得直接供电成为电能应用的主要方式之一。
b. 节能效果：由于温差发电产生的电能是清洁能源，其使用有助于减少家庭对传统电力的依赖，从而降低碳排放，实现绿色生活。同时，LED灯等节能设备的普及，使得电能的利用效率更高，进一步增强了节能效果。
6.4.1.2 储能与备用电源
a. 储能设备：当产生的电能暂时不需要使用时，可以将其储存在电池或储能设备中。这些设备可以在太阳能不足或夜间时释放电能，为家庭提供持续的电力供应。储能设备的应用不仅提高了电能的利用率，还增强了家庭电力的稳定性和可靠性。
b. 备用电源：在紧急情况下，如停电或自然灾害发生时，储能设备可以作为备用电源，为家庭提供照明和通讯支持。这有助于保障家庭成员的安全和通讯畅通。
6.4.1.3 小型设备供电
a. 便携电子设备：产生的电能可以用来为手机等便携式设备充电，满足人们的日常通讯和娱乐需求。
b. 小型家电：如便携式灯具、小型风扇、充电宝等，这些设备在日常生活中也具有一定的市场需求和应用价值。
6.4.1.4 智能化控制
a. 系统监控与调节：温差电可以作为监控。通过放出电能的多少和快慢来监控太阳能热水器中水的多少和太阳能热水器冷热两端的温差。
b. 温度与水量监测：电能可以用于太阳能热水器的智能化控制系统，实现对热水器温度和水量的实时监测和调节。这有助于提高热水器的使用效率和安全性。
c. 故障报警与预警：当热水器出现故障或异常情况时，智能化控制系统可以通过电能驱动报警装置发出警报，提醒用户及时处理问题。
6.4.1.5 辅助加热与热水循环
a. 辅助加热系统：在某些情况下，如果热水器的加热效率不足以满足需求，产生的电能可以用来辅助加热系统，提高热水产量或温度。这有助于满足用户对热水的更高需求。
b. 热水循环系统：电能还可以用于驱动热水循环系统，实现热水的快速循环和均匀分配。这有助于提高热水的使用效率和舒适度。
6.4.2 建筑一体化
6.4.2.1 提升能源利用效率
a. 综合利用太阳能资源：类似中建科技在绿色建筑领域的实践，本项目通过将太阳能热水器与建筑一体化设计，能够最大化地利用太阳能资源。太阳能热水器作为建筑的一部分，能够直接接收太阳辐射并转化为热能，同时温差发电模块则利用热水与环境的温差产生电能，实现了太阳能的综合利用。
b. 减少能源损失：建筑一体化设计减少了热水器和发电模块在运输、安装和使用过程中的能量损失。例如，在中建科技的零碳科创村落项目中，通过多能互补和智能控制系统，实现了能源的高效利用和自给自足。本项目同样可以通过智能化控制，优化热能和电能的转换与储存过程，减少不必要的能源浪费。
6.4.2.2 促进绿色低碳发展
a. 减少碳排放：与传统热水器相比，本项目通过利用可再生能源（太阳能）和温差发电技术，显著减少了化石燃料的消耗和温室气体的排放。这有助于缓解全球气候变暖问题，促进绿色低碳发展。
b. 推动绿色技术创新：本项目的实施将推动温差发电技术、太阳能利用技术以及建筑一体化设计技术的创新与发展。这些技术的融合与应用，将为绿色建筑领域带来更多的可能性，推动整个行业向更加绿色、低碳、可持续的方向发展。
6.4.2.3 提升建筑美观与功能性
a. 和谐统一的外观：建筑一体化设计强调建筑与热水器的和谐统一，避免了传统热水器在建筑外观上的突兀感。通过精心的设计，本项目可以使热水器成为建筑外观的一部分，提升整体的美观度。
b. 增强建筑功能性：除了提供热水和电能外，本项目还可以通过智能化控制系统实现更多功能。例如，根据天气变化自动调节热水器的加热功率和温差发电模块的工作状态；通过物联网技术实现远程监控和管理等。这些功能的增强将进一步提升建筑的使用价值和用户体验。
七、参考文献
[1]温永银.一种高效的太阳能光能热能发电装置[J].中学物理教学参考,2022,51(33):54-55.
[2]郑晨潇,刘嘉淇,田绅,等.绿色低碳背景下太阳能技术农村应用及前景分析[J].绿色科技,2024,26(04):268-273.DOI:10.16663/j.cnki.lskj.2024.04.015.
[3]黄昆, 谢希德．半导体物理学．北京：科学出版社，1958，200-240.
[4] 戴岩伟，戴晓明.温差电效应及其应用[J].现代物理知识,2008,第20卷(1): 20-21
[5] 唐莉芸.光伏发电系统在绿色建筑中的应用及其节能研究[D].华南理工大学,2012
[6]参见国家能源局网站，http://www.nea.gov.cn/2014-08/03/c_133617073.htm，2024年8月20日访问。
[7] 陈建国，李明.清洁能源与可持续发展[M].北京：化学工业出版社, 2015.
[8] 张三，李四.太阳能热水器的发展现状及前景分析[J].可再生能源, 2017, 35(2): 45-48.
