给混天球兄：BioLite炉子的工作原理

维京老海盗

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@混天球

. `1 E" C7 n) @+ m6 b$ g! @! N混天球兄提到了BioLite的炉子，地址是http://biolitestove.com/
价格是真不便宜～～～所以我第一反应是：果断山寨之～～～
8 s/ a) n, `, S' |2 }: Z! K% x炉子外形是这样的
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不锈钢金属的部分是炉子的燃烧部分，黄色部分是发电-储能-充电模块

( D. b  P% u. \$ T( ?5 L下面我来分析一下这个炉子的工作原理。
0 C7 X! H6 N5 M它的网站上有张图:


3 C6 k6 `3 U+ E6 P/ x; w从右边这个图可以看出，这个炉子的燃烧部分就是一个“对流炉”。它的工作特点是点火容易，燃烧效率高，燃料不挑剔，只要是固体就行。炉子的工作原理很简单：只要将点燃的纸片之类的扔进装好燃料的炉子里，在纸片燃烧时产生的热量就会使炉子的上部空气受热而向上流动，从而在炉子上部形成一个负压区。这个负压区就会源源不断的把冷空气从底部的开孔处抽进来，并给上面的燃烧带来新鲜充分的氧气，使燃烧更加剧烈，从而达到正反馈循环，反馈信号就是对流气流的强弱。炉子燃烧的原理就是这样了。当燃烧开始达到饱和的时候（就是说火力不再变大，大家意会就好），这个负压区的吸力是相当大的。
这里是一个DIY的对流柴火炉，可以看到燃烧达到饱和的时候火势是非常旺的。
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下面这段红字的发电原理是错误的，正确的在后面回贴中。因为我没考虑到燃烧效率这个问题。
那个发电模块的电能转化，我推测只可能是利用了负压区吸引上来的这部分气流，用这部分气流带动图中的一个轴流风扇叶片（原理图中Fan的位置），叶片再带动下部的电动机以输出电流。由于这样的输出不一定稳定，所以需要电子模块对发出的电流整流，并充入发电模块上部的蓄电池里以备稳压成直流输出。也就是说，那个Thermoelectric Generator（TEG）的核心就是一个轴流式风力发电机。

6 F* I" f9 m& w其他产生电能之后怎么转换为5V-DC输出的电子设备，在电子市场上应该都有成品出售。对流炉子可以DIY（看这里和这里）。轴流电机加叶片就更好说了，笔记本电脑的散热风扇全是这结构的，拆个废旧的大号笔记本，或者去淘宝买一个就行了。接下来，需要好好考虑的是发电模块怎么实现耐高温的问题，因为据我所知，对流炉燃烧的温度不低，外壳温度足够把塑料部件烫坏了。从这个成品上我大概发现了一点它的思路，不过这是和原理无关的细节。而且我说了之后，不利于大家发扬伟大的山寨精神。
此外还要考虑的几个细节问题：整个对流风道的密封问题，密封不严，功率肯定下降会很厉害；对流风道的风阻问题，风道不能随心所欲的布置，要考虑到气流在里面流动的时候阻碍最小，这样发电效率才高。

山寨，是向原创最好的致敬！

sylvia

然后呢？如何山寨？

抱朴仙人

中国人民致敬！

MacArthur

恐怕没这么简单。。。
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; e- k) Q  N) S- X' w0 i) P9 `% L看他们的说明，说是用热能经TEG转化成电能，然后驱动风扇，吸入更多新鲜空气助燃 -- 众所周知，能量转化是有损失的，热气流 =》电 =》机械能，经了两道手，这中间的能量损失至少60～70%，再来驱动风扇转换成气流，咋看咋不对头呢？ 直接在炉壁上捅俩窟窿眼儿，抽风效率肯定比它这热-电-风机要高得多得多得多。。。
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! x3 ~4 W4 E+ h. P( V/ G5 ~. O) y0 J# |就好比你用水力发电产生的能量，再去驱动抽水机把排下去的水抽回来，循环使用，理想系统是可行的，实际上肯定玩不转。。。


9 U  N/ b2 v; L( B- f我猜它这个TEG还是有自己的门道，搞不好其中有某种新材料，能直接进行 热=》电转换而不需依靠小风扇。。。

维京老海盗

MacArthur 发表于 2012-11-9 04:15
恐怕没这么简单。。。
& D" Q! p  P% H; U4 |. G
" L; _# u, T) }* v7 {* Y看他们的说明，说是用热能经TEG转化成电能，然后驱动风扇，吸入更多新鲜空气助燃 - ...

这个，要不召唤一下晨.不得瑟不舒服斯基大人？@晨枫
" ]" F% [6 N  ], H5 Q6 a
我开始觉得它那个图有误导读者的意思（读论文读到坑里太常见了），但查到这么个东西，看起来我前面的想法是错误的

0 b3 K; |# ~( K2 p6 v; }$ R温差电池，用的是塞贝克效应与汤姆逊效应，塞贝克效应指由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。
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+ `$ @& t/ Y7 o3 l% j- J也就是说，这就是个超大号的电热偶。炉子表面温度不低，符合“和接触区的温度成正比”这个条件？
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+ y6 J2 G' b$ U- q1 z# `( p. t1 M然后在这里有这么一段有点意思——“该锅锅体采用的TES NewEnergy Corp研制的热电半导体材料。据悉，该锅的发电原理利用了塞贝克温差发电效应，因为锅内水的沸点为100 °C，而锅体的被加热的温度为550 °C，这样就存在这450°C的温度差，锅体的热电半导体材料利用这个温度差就能产生200 ~ 250毫安的直流电。一般情况下，这款烹饪锅为一部智能手机充满电只需3到5小时。”

然后又找到这个东西，莫非这么快就实用了？那我对美国的科研-产业体系的速度简直太崇拜了
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《美研究人员研究出将热能转化成电能的新方法》

6 I$ |+ ^" j3 V" o; C( j如果是这样的话，那山寨起来有难度了，技术壁垒貌似有点高。
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& C4 z, z3 K- U: i等晨大来讲讲都有哪些方法实现直接的“热—电”转换

Highway

& n9 Y! k+ i8 e1 O/ k4 k5 y你这个描述和厂家介绍的不一样。根据敌人的说法，这个炉子的牛掰之处在于
" h9 A  z& r& v. ~
能有效的燃烧各种可燃之物，并且效率极高。比如烧木头的话，黑烟能减少90%，其关键之处在于有一个小风扇能有效的提供充分的氧气。小风扇的不是用来发电的，而是用电的给炉子供氧的。并且电可能用不完，你还可以顺手给小电器充电啥的。

- r' E: C5 P8 G" Q那电哪里来的呢？敌人说是用炉子的温度转化来的。

维京老海盗

# }1 z) U' H- Q1 h+ i

Highway 发表于 2012-11-9 04:52
$ c1 C. \+ K' \3 s( r' }你这个描述和厂家介绍的不一样。根据敌人的说法，这个炉子的牛掰之处在于

能有效的燃烧各种可燃之物，并且 ...

" N4 n$ r0 P: J) U( Z' s7 ?
+ s  t+ n$ Y% q+ d, |1 X9 \对，轧叔说的有道理。按照我最初的想法，这个燃烧效率肯定是要下来的，因为实际上发电机工作的时候，燃烧吸入的氧并不充分。
3 T$ E0 e9 k3 m/ L* v我觉得麦帅的考虑有一个欠妥的漏洞 @MacArthur
麦帅说情况的是一个系统在没有外界能量参与的情况下应该要满足能量守恒以及热力学几大定律，但是在这个系统中燃烧是一个化学反应，它将自身的化学能转换成热能，这样相当于对这个系统引入了新的能量，所以不需要满足能量守恒。

Highway

维京老海盗 发表于 2012-11-9 05:02
对，轧叔说的有道理。按照我最初的想法，这个燃烧效率肯定是要下来的，因为实际上燃烧的时候吸入的氧并不 ...

Youtube上有视频，我看了一下，觉得有几点地方还是不错的

1）炉子结构很好，很结实，并且本身并不怎么发热，你可以放在塑料桌子上开火。燃烧一阵子以后，可以直接拿手去抓炉子，不烫手。

8 n$ B7 I! |$ E  H& t8 @9 a2）USB上插上电器之后，感觉小风扇劲头小了不少，火力有所减弱。看来发的电还不是很多，风扇和USB不能两头都爽。

缺点嘛，就是小风扇嗡嗡的响，有点吵，要是能再安静点就更好了。

维京老海盗

Highway 发表于 2012-11-9 05:11
Youtube上有视频，我看了一下，觉得有几点地方还是不错的
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1）炉子结构很好，很结实，并且本身并不怎么发 ...

你说的第一点，提醒了我这个发电材料要利用到的温差从哪里产生，但是怎么去利用还是一头雾水

Highway

维京老海盗 发表于 2012-11-9 05:17
: v- s4 E- S7 u" U/ a你说的第一点，提醒了我这个发电材料要利用到的温差从哪里产生，但是怎么去利用还是一头雾水 ...

: b' h- ?5 s/ Z
那个黑色的探头要插到炉子里面，所以温度是从那里传递到发电部件里面的。不过敌人很狡猾，没有说发电的功率有多大。。。

维京老海盗

Highway 发表于 2012-11-9 05:34
那个黑色的探头要插到炉子里面，所以温度是从那里传递到发电部件里面的。不过敌人很狡猾，没有说发电的 ...

3 [7 _" Y1 z; }; c/ {7 {我勒个去～～～外形邪恶啊！

- w4 A0 [2 C  ]8 U% r7 t7 t我这里再加一张那个发电模块的图片


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其实这原理简单，就是个超大号的热电偶
1 g: I1 _. j( {1 y$ y! w& d2 t
5 C- ~# D5 w/ W7 j: e0 W  P5 a

; O" W& \; ?4 ]5 m  J* m- a关键技术门槛就在那个热—电转换材料上，不知道是用的什么材料达到的。因为我印象中热电偶的效率是非常低的。

' m0 |4 `; D8 g% I高温的产生想不到这么简单，打个洞过去，然后支一根一头开条大口的空心铜管把燃烧的热量引过来，很黄很暴力～～～另外一个有意思的细节是它的风道设计。进风口里面就是TEG冷端的散热片，使用对流空气给TEG冷端降温，进一步提高温差，设计得很巧妙。

发电功率还不错，2W/5V，就是400mA，峰值4W/5V，也就是800mA，还可以了，比前面说的日本那个强多了

6 v. M) \9 t3 p2 d. N热电发电材料国内已经有人在做了，链接在这里
http://www.thermonamic.com/cn/products.asp?cid=384
- w! t# @, L$ k- i) M- N' o; h4 s; t霸气的是它下面的一句话：如果没有找到符合你的要求的热电器件,我们完全可以设计一款满足你的要求的器件。
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MacArthur

维京老海盗 发表于 2012-11-8 16:49
关键技术门槛就在那个热—电转换材料上，不知道是用的什么材料达到的。因为我印象中热电偶的效率是非常低的。

' v, L3 g2 |% V5 X2 E4 d6 k+ K能把这个破了，其余的山寨起来不在话下。。。

橡树村

维京老海盗 发表于 2012-11-9 05:49
我勒个去～～～外形邪恶啊！

% G, j( `* {4 i: s$ N2 w1 p我这里再加一张那个发电模块的图片

+ e! o6 e! C" E1 a6 T8 R2 s" C( c6 S# K( O现在有小型的热电效应发电装置，使用Bi2Te3或者PbTe半导体材料，热电转化效率可以达到5-10%。这个装置可能用的这类东西。
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+ o( Q3 ~# }, t# v  @材料门槛有点高，但应该是可以山寨的。
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瓦片儿匠

隔行如隔山……表示看不懂的路过

维京老海盗

橡树村 发表于 2012-11-9 15:23
现在有小型的热电效应发电装置，使用Bi2Te3或者PbTe半导体材料，热电转化效率可以达到5-10%。这个装置可 ...

村长能给点链接指引一下不？

橡树村

维京老海盗 发表于 2012-11-9 19:19
1 w* T: ~6 D. v' g1 f$ ~村长能给点链接指引一下不？

6 D& b  \$ a( g: e直接搜碲化铋和碲化铅就能找到不少

黑JK

谢谢~又长了点经验值

一无所之

Highway 发表于 2012-11-9 04:52
你这个描述和厂家介绍的不一样。根据敌人的说法，这个炉子的牛掰之处在于
+ {, K! s7 g" S* H& @8 H
' i9 u8 O2 n5 c能有效的燃烧各种可燃之物，并且 ...

没黑烟很关键啊，要不然，少什么都不行

wuxi_stl

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Peltier device

circuit cellar 269上有介绍原理。
1 I* f# F  N( F" O$ ?8 ]7 M2 y$ F
9 j7 ]  Y1 e1 U: T! pThe BioLite website touts “2 W @ 5 V” (i.e., 200 mA), and while the heat energy can be as high as 5 kW, that’s less than 0.1% efficiency.

小刀

感觉这玩意似乎不如手摇的USB充电器方便便宜，手摇的USB充电器在淘宝上只要$3。:)