基于多種形式能溫差發電可調設式保溫杯的研究設計

胡艦

摘 要：主要研究設計了一種可以將多種形式的能源通過半導體溫差發電器將其轉化為電能的可調設式保溫杯。該杯可以在不同環境下進行溫差發電并儲能，在需要時進行電能的輸出；其可調設式保溫功能可以根據使用者的意愿調設保溫溫度。詳細地介紹了溫差發電可調設式保溫杯的理論工作原理，并且還從現階段該保溫杯的發展前景、功能實現、結構設計等多方面進行了闡述。

關鍵詞：可調設式保溫；LED燈照明；塞貝克效應；杯內水溫顯示

中圖分類號：TM913 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.001

隨著現今社會的發展，能源問題越發突出，并且在我國經濟轉型的關鍵過程中，節能減排勢在必行。節能不僅是指使各種能源消耗的減少，也指實現能源最大化的利用。半導體溫差發電器可以利用溫差發電，并且對溫差變化特別敏感，在用作溫差發電的同時還可以用作溫度傳感器，依靠其發電電壓的大小得到溫度值。對于一些自發散失的熱能，就可以利用溫差發電原理，將其轉化為電能儲存起來，在需要時使用。

而在科學技術快速發展的時代，人們對保溫杯人性化功能的需求也越發強烈。在日常生活中，非可調設式保溫杯越發表現出其短板。在保溫杯的使用過程中，如果杯子的保溫效果非常好，100 ℃的水接到杯內放置幾小時后，依然很燙，即使口渴依然不能直接飲用；如果杯子保溫效果很差，100 ℃的水接到杯內放置幾小時后飲用時，已經成為冷水。可見，非可調設式保溫杯只能實現單純的保溫功能，不能滿足很大部分人的真實需求。而可調設式保溫杯可以根據使用者的設定，將熱水進行發電，冷卻到使用者設定的溫度時停止發電，同時進行長時效的保溫。這樣，飲用時的水溫將會在使用者自己設定的溫度范圍內。

本產品在發電時有2種方式，2種方式伴隨著2種不同的能量轉換：①通過杯內熱水與外界大氣的溫度差，將熱水中的熱能轉化為電能儲存到可充電的蓄電池中；②運用太陽能對杯壁工作區域加溫，使杯壁溫度與杯內的冷水溫度形成溫差，將太陽能轉化為電能儲存到可充電的蓄電池中，以此來實現能源更大程度的利用。該水杯滿足現代移動設備對電能的高度需求，并且有可調設式保溫功能，實用性強，是一種新型水杯，有著潛在的廣闊市場。

1 發展前景

當接一杯100 ℃的水到杯內，卻要等到水溫下降至40 ℃時才會飲用。在這個過程中，損失的不僅是時間，還有能源。由于水的比熱很大（4 200 J/（kg·℃）），100 ℃的水具有很大的熱能，任由其熱量自由散失是一種能源浪費。如果全國13億人每人每天喝一杯熱水，那么散失的熱能集合起來將是巨大的能源損失。

在光照充足的夏天，室外溫度很高。如果在移動設備急需充電而又身處室外沒有電源時，利用溫差發電將太陽能轉換成電能即時充電是一個不錯的選擇。并且太陽能是一種取之不竭的清潔能源，利用過程中沒有污染物的排放，其使用價值非常可觀。

由于目前市場上利用溫差發電的杯子普及率還比較低，且能源更大程度利用、可再生能源的利用受到國家的高度重視，而本產品剛好將兩者結合在一種產品上實現，并且增加可調設式保溫功能等一系列的人性化功能，以滿足使用者對保溫杯人性化功能的需求，市場前景非常廣闊。

2 產品功能

產品利用溫差發電并儲存于蓄電池中，在需要時可對外輸出，其工作流程如圖1所示。其主要功能：對移動設備充電、LED燈照明、可控式保溫、杯內水溫顯示以及其他耗能元件的電能消耗。

移動設備充電：用溫差發電器儲存在蓄電池中的電能對移動設備充電。

LED燈照明：內置式鑲嵌LED燈，利用溫差發電對其供電，在需要時實現照明。

可控式保溫：杯內裝有熱水時，可通過水溫液晶顯示屏對保溫的溫度進行設定，實現水在設定溫度范圍內保溫功能。

杯內水溫顯示：內置式液晶顯示屏，通過溫差發電器對溫差的強敏感性，直接利用溫差發電的電壓信號計算后得到水溫，并顯示在液晶顯示屏上。

其他耗能元件：通過USB連接線提供的電能的一系列外置設備，也包括保溫杯內部的一些電路原件的電能消耗。

3 設計原理及分析

3.1 物理原理

將2種半導體的一端結合在一起并使之處于高溫狀態（熱端），而另一端開路且處于低溫狀態（冷端），則在冷端（T1）存在開路電壓ΔV.這個效應稱“塞貝克（Seebeck）效應”，又稱作“第一熱電效應”，如圖2所示。

塞貝克效應的實質在于2種金屬接觸時會產生接觸電勢差。該電勢差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這2個基本因素。在其他條件都相同的條件下，半導體材料產生的ΔV比一般導體材料產生的ΔV更大，因此，半導體材料常被作為溫差發電器的理想材料。溫差發電電動勢ΔV的大小除去材料自身物性的影響因素外，起決定性的影響因素主要是ΔT的大小。換言之，當高溫端、低溫端的ΔT越大，發電電壓也就越大。塞貝克效應電勢差的計算公式為：

ΔV=asΔT=asΔ（T2-T1）. （1）

式（1）中：as為材料的賽貝克系數，V/K或?V/K；T2為高溫端溫度；T1為低溫端溫度。

要想獲得較大的溫差電動勢，就需加大高、低溫端的溫差或者提高賽貝克系數，由于后者跟材料物性有關，因此只能加大溫差，以達到目的。

3.2 溫差發電的實現

3.2.1 太陽能溫差發電

太陽能溫差發電主要適用于光照時間長、強的時段（夏天）。當身處環境沒有充電電源時，可采用太陽能溫差發電，為自己的移動設備充電或者用于其他功能，如圖3（左）所示。

高溫端：高溫端材料的黑度可達到0.8～0.9，太陽輻射的能量可以很大限度地被高溫端吸收，并且用于提升自身的溫度。在一般地區的夏天，露天水泥地的溫度都可以達到60 ℃多，而高溫端的黑度較高，反射的能量比較少，吸收的能量更多，因此將吸收的能量用來提升或維持高溫端的溫度。與此同時，在高溫端加上一塊與菲涅爾透鏡材料相同的曲形透鏡，它可以將散射的光聚集在一定的工作區域，因此，即使微弱的光也可以被曲形鏡聚集在工作區域，用于提高高溫端的溫度，如圖4所示。利用太陽能輻射能量對高溫端進行加熱或者保持溫度，使高溫端的溫度達到并保持一定的工作溫度，以實現長時間保持恒定的溫差。

低溫端：低溫端依靠杯內冷水進行降溫，由于水的比熱容比較大，依靠半導體導熱，水溫上升是非常緩慢的，在裝滿一杯冷水時，可近似認為水溫為常溫。因此，低溫端始終被冷水冷卻，可以保持低溫端的溫度值為水溫溫度。

工作情況：在太陽能溫差發電器正常工作時，可在高、低溫端保持70 ℃的恒定溫差。將其利用，進行發電，并將所發電能用蓄電池進行儲存，在需要時為移動設備進行充電或使用其他功能時使用。

優點：使用局限性較少，有太陽光照就可以進行發電，可在室外使用，并且發電時溫差恒定，其輸出電壓也可保持穩定。

缺點：發電不能即時進行，需等高溫端吸熱升溫到一定程度時才可工作，且工作情況受天氣的影響。

3.2.2 飲用熱水溫差發電

身處室內，用保溫杯接一杯100 ℃的水。此時，在使用者設定保溫溫度后，利用熱水與外界空氣的溫差發電，為自己的移動設備充電或者滿足于其他功能，如圖3（右）所示。

高溫端：高溫端與開水直接接觸，100 ℃的水直接給高溫端加熱，使高溫端的溫度在很短的時間內就可以達到100 ℃。

低溫端：低溫端直接與空氣相接觸，以空氣（冬天溫度一般為10 ℃，某些地區可達零下幾十攝氏度）對流的形式對低溫端進行冷卻，使低溫端的溫度保持為室溫。

工作情況：在熱水溫差發電器正常工作時，可在高、低溫端保持90 ℃的溫差。將其利用，進行發電，并將所發電能用蓄電池進行儲存，在需要時為移動設備進行充電或使用其他功能時使用。

優點：達到工作溫度時間短，可即時發電，熱水所儲存的熱能大，用于發電的熱能多，且不受天氣的影響。

缺點：隨著發電過程的進行，水溫會逐漸下降，與此同時，高溫端的溫度也隨之下降。此時，溫差隨著時間下降，因而發電電壓將會降低。并且可調設式保溫功能與熱水溫差發電功能在某一程度上會相互制約。當熱水的保溫溫度設置較高時，用于發電的熱能將減少，發電量也將減少。但如果熱水的保溫溫度設置為30～40 ℃，發電過程將不受影響。

3.3 可控式保溫原理

杯子的保溫材料使用導熱系數很小的材料，在杯子上開一個通道用于溫差發電器的工作。當溫度達到設定溫度時，自動停止溫差發電模塊，關閉冷卻通道，進行保溫，高性能的保溫材料可以實現長時效的保溫。

在設置好保溫溫度時，通過一個按鈕使熱水溫差發電模塊的低溫端與杯壁接觸，進行工作。當發電電壓低于用戶設置溫度的發電電壓時，模塊的低溫端脫離與杯壁的接觸，低溫端無法散熱。此時，高低溫端溫度保持相同，熱水溫差發電模塊停止工作，杯內的熱能不能通過半導體溫差發電模塊向外散失，實現保溫功能，如圖5所示。

4 設計模型

溫差發電杯能實現太陽能、水溫2種溫差發電。為實現2種發電功能及可調設式保溫，設計杯體模型，如圖6所示。

5 結論

目前，市場上的水杯大多都只為實現盛水、單純保溫而設計，并不能進行能源的再利用，并且其保溫功能只能進行非可調設式保溫，因此，多形式能溫差發電可調設式保溫杯可以實現諸多人性化的功能，能給人們提供更好的服務。隨著今后技術難題不斷被攻克和制造業水平的不斷提升，未來水杯的發展將會實現更多人性化的功能。多種形式能溫差發電可調設式保溫杯在今后將有很好的發展前景，可以滿足未來市場多樣式的人性化的需求。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕