基于多种形式能温差发电可调设式保温杯的研究设计

摘 要：主要研究设计了一种可以将多种形式的能源通过半导体温差发电器将其转化为电能的可调设式保温杯。该杯可以在不同环境下进行温差发电并储能，在需要时进行电能的输出；其可调设式保温功能可以根据使用者的意愿调设保温温度。详细地介绍了温差发电可调设式保温杯的理论工作原理，并且还从现阶段该保温杯的发展前景、功能实现、结构设计等多方面进行了阐述。

关键词：可调设式保温；LED灯照明；塞贝克效应；杯内水温显示

中图分类号：TM913 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.001

随着现今社会的发展，能源问题越发突出，并且在我国经济转型的关键过程中，节能减排势在必行。节能不仅是指使各种能源消耗的减少，也指实现能源最大化的利用。半导体温差发电器可以利用温差发电，并且对温差变化特别敏感，在用作温差發电的同时还可以用作温度传感器，依靠其发电电压的大小得到温度值。对于一些自发散失的热能，就可以利用温差发电原理，将其转化为电能储存起来，在需要时使用。

而在科学技术快速发展的时代，人们对保温杯人性化功能的需求也越发强烈。在日常生活中，非可调设式保温杯越发表现出其短板。在保温杯的使用过程中，如果杯子的保温效果非常好，100 ℃的水接到杯内放置几小时后，依然很烫，即使口渴依然不能直接饮用；如果杯子保温效果很差，100 ℃的水接到杯内放置几小时后饮用时，已经成为冷水。可见，非可调设式保温杯只能实现单纯的保温功能，不能满足很大部分人的真实需求。而可调设式保温杯可以根据使用者的设定，将热水进行发电，冷却到使用者设定的温度时停止发电，同时进行长时效的保温。这样，饮用时的水温将会在使用者自己设定的温度范围内。

本产品在发电时有2种方式，2种方式伴随着2种不同的能量转换：①通过杯内热水与外界大气的温度差，将热水中的热能转化为电能储存到可充电的蓄电池中；②运用太阳能对杯壁工作区域加温，使杯壁温度与杯内的冷水温度形成温差，将太阳能转化为电能储存到可充电的蓄电池中，以此来实现能源更大程度的利用。该水杯满足现代移动设备对电能的高度需求，并且有可调设式保温功能，实用性强，是一种新型水杯，有着潜在的广阔市场。

1 发展前景

当接一杯100 ℃的水到杯内，却要等到水温下降至40 ℃时才会饮用。在这个过程中，损失的不仅是时间，还有能源。由于水的比热很大（4 200 J/（kg·℃）），100 ℃的水具有很大的热能，任由其热量自由散失是一种能源浪费。如果全国13亿人每人每天喝一杯热水，那么散失的热能集合起来将是巨大的能源损失。

在光照充足的夏天，室外温度很高。如果在移动设备急需充电而又身处室外没有电源时，利用温差发电将太阳能转换成电能即时充电是一个不错的选择。并且太阳能是一种取之不竭的清洁能源，利用过程中没有污染物的排放，其使用价值非常可观。

由于目前市场上利用温差发电的杯子普及率还比较低，且能源更大程度利用、可再生能源的利用受到国家的高度重视，而本产品刚好将两者结合在一种产品上实现，并且增加可调设式保温功能等一系列的人性化功能，以满足使用者对保温杯人性化功能的需求，市场前景非常广阔。

2 产品功能

产品利用温差发电并储存于蓄电池中，在需要时可对外输出，其工作流程如图1所示。其主要功能：对移动设备充电、LED灯照明、可控式保温、杯内水温显示以及其他耗能元件的电能消耗。

移动设备充电：用温差发电器储存在蓄电池中的电能对移动设备充电。

LED灯照明：内置式镶嵌LED灯，利用温差发电对其供电，在需要时实现照明。

可控式保温：杯内装有热水时，可通过水温液晶显示屏对保温的温度进行设定，实现水在设定温度范围内保温功能。

杯内水温显示：内置式液晶显示屏，通过温差发电器对温差的强敏感性，直接利用温差发电的电压信号计算后得到水温，并显示在液晶显示屏上。

其他耗能元件：通过USB连接线提供的电能的一系列外置设备，也包括保温杯内部的一些电路原件的电能消耗。

3 设计原理及分析

3.1 物理原理

将2种半导体的一端结合在一起并使之处于高温状态（热端），而另一端开路且处于低温状态（冷端），则在冷端（T1）存在开路电压ΔV.这个效应称“塞贝克（Seebeck）效应”，又称作“第一热电效应”，如图2所示。

塞贝克效应的实质在于2种金属接触时会产生接触电势差。该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这2个基本因素。在其他条件都相同的条件下，半导体材料产生的ΔV比一般导体材料产生的ΔV更大，因此，半导体材料常被作为温差发电器的理想材料。温差发电电动势ΔV的大小除去材料自身物性的影响因素外，起决定性的影响因素主要是ΔT的大小。换言之，当高温端、低温端的ΔT越大，发电电压也就越大。塞贝克效应电势差的计算公式为：

ΔV=asΔT=asΔ（T2-T1）. （1）

式（1）中：as为材料的赛贝克系数，V/K或µV/K；T2为高温端温度；T1为低温端温度。

要想获得较大的温差电动势，就需加大高、低温端的温差或者提高赛贝克系数，由于后者跟材料物性有关，因此只能加大温差，以达到目的。

3.2 温差发电的实现

3.2.1 太阳能温差发电

太阳能温差发电主要适用于光照时间长、强的时段（夏天）。当身处环境没有充电电源时，可采用太阳能温差发电，为自己的移动设备充电或者用于其他功能，如图3（左）所示。

高温端：高温端材料的黑度可达到0.8～0.9，太阳辐射的能量可以很大限度地被高温端吸收，并且用于提升自身的温度。在一般地区的夏天，露天水泥地的温度都可以达到60 ℃多，而高温端的黑度较高，反射的能量比较少，吸收的能量更多，因此将吸收的能量用来提升或维持高温端的温度。与此同时，在高温端加上一块与菲涅尔透镜材料相同的曲形透镜，它可以将散射的光聚集在一定的工作区域，因此，即使微弱的光也可以被曲形镜聚集在工作区域，用于提高高温端的温度，如图4所示。利用太阳能辐射能量对高温端进行加热或者保持温度，使高温端的温度达到并保持一定的工作温度，以实现长时间保持恒定的温差。

低温端：低温端依靠杯内冷水进行降温，由于水的比热容比较大，依靠半导体导热，水温上升是非常缓慢的，在装满一杯冷水时，可近似认为水温为常温。因此，低温端始终被冷水冷却，可以保持低温端的温度值为水温温度。

工作情况：在太阳能温差发电器正常工作时，可在高、低温端保持70 ℃的恒定温差。将其利用，进行发电，并将所发电能用蓄电池进行储存，在需要时为移动设备进行充电或使用其他功能时使用。

优点：使用局限性较少，有太阳光照就可以进行发电，可在室外使用，并且发电时温差恒定，其輸出电压也可保持稳定。

缺点：发电不能即时进行，需等高温端吸热升温到一定程度时才可工作，且工作情况受天气的影响。

3.2.2 饮用热水温差发电

身处室内，用保温杯接一杯100 ℃的水。此时，在使用者设定保温温度后，利用热水与外界空气的温差发电，为自己的移动设备充电或者满足于其他功能，如图3（右）所示。

高温端：高温端与开水直接接触，100 ℃的水直接给高温端加热，使高温端的温度在很短的时间内就可以达到100 ℃。

低温端：低温端直接与空气相接触，以空气（冬天温度一般为10 ℃，某些地区可达零下几十摄氏度）对流的形式对低温端进行冷却，使低温端的温度保持为室温。

工作情况：在热水温差发电器正常工作时，可在高、低温端保持90 ℃的温差。将其利用，进行发电，并将所发电能用蓄电池进行储存，在需要时为移动设备进行充电或使用其他功能时使用。

优点：达到工作温度时间短，可即时发电，热水所储存的热能大，用于发电的热能多，且不受天气的影响。

缺点：随着发电过程的进行，水温会逐渐下降，与此同时，高温端的温度也随之下降。此时，温差随着时间下降，因而发电电压将会降低。并且可调设式保温功能与热水温差发电功能在某一程度上会相互制约。当热水的保温温度设置较高时，用于发电的热能将减少，发电量也将减少。但如果热水的保温温度设置为30～40 ℃，发电过程将不受影响。

3.3 可控式保温原理

杯子的保温材料使用导热系数很小的材料，在杯子上开一个通道用于温差发电器的工作。当温度达到设定温度时，自动停止温差发电模块，关闭冷却通道，进行保温，高性能的保温材料可以实现长时效的保温。

在设置好保温温度时，通过一个按钮使热水温差发电模块的低温端与杯壁接触，进行工作。当发电电压低于用户设置温度的发电电压时，模块的低温端脱离与杯壁的接触，低温端无法散热。此时，高低温端温度保持相同，热水温差发电模块停止工作，杯内的热能不能通过半导体温差发电模块向外散失，实现保温功能，如图5所示。

4 设计模型

温差发电杯能实现太阳能、水温2种温差发电。为实现2种发电功能及可调设式保温，设计杯体模型，如图6所示。

5 结论

目前，市场上的水杯大多都只为实现盛水、单纯保温而设计，并不能进行能源的再利用，并且其保温功能只能进行非可调设式保温，因此，多形式能温差发电可调设式保温杯可以实现诸多人性化的功能，能给人们提供更好的服务。随着今后技术难题不断被攻克和制造业水平的不断提升，未来水杯的发展将会实现更多人性化的功能。多种形式能温差发电可调设式保温杯在今后将有很好的发展前景，可以满足未来市场多样式的人性化的需求。

参考文献

[1]许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识，2004（1）.

[2]胡红利，刘斐.LED灯散热及余热回收系统[J].中国照明电器，2009（1）.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]朱善明，刘颖，林兆庄，等.工程热力学[M].第二版.北京：清华大学出版社，2011.

〔编辑：刘晓芳〕

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