冷熱分離式高效溫差發電杯的設計與性能

劉炳鍵， 葛伊穎， 劉 丹， 陳東生

(上海電力學院 數理學院， 上海 200090)

冷熱分離式高效溫差發電杯的設計與性能

劉炳鍵， 葛伊穎， 劉 丹， 陳東生

(上海電力學院 數理學院， 上海 200090)

采用 “一杯兩體”結構成功制作出冷熱分離式高效溫差發電杯，相較于傳統溫差發電杯，其發電效率大幅提高。通過采用“一杯兩體”結構將杯體一分為二，一體盛放熱水；另一體盛放冷水，溫差發電片置于將杯體隔開的導熱隔板中，利用冷熱水溫差進行發電，同時冷水也用于散熱，由此克服了傳統溫差發電杯散熱性能差的缺陷，從而使得溫差發電片的電阻不會大幅增加，大幅提高了溫差發電杯的發電效率。另一方面，“一杯兩體”結構可滿足人們對不同溫度的飲用水的需求。

溫差發電； 一杯兩體； 冷熱分離； 熱電性能

0 引 言

節能是指盡可能地減少能源的消耗，減少石油、天然氣、煤炭、電力等能源的消耗，減排是指減少污染物的排放，減少環境污染。石油、煤炭和天然氣等燃料的燃燒過程中會產生廢熱，據統計，以煤炭作為原料的火電廠，在排煙這一過程中損失的熱能就占了煤炭燃燒產生的總熱能的5%～12%，如果能把這一部分熱量利用起來，不僅能節約能源，也能減少大氣污染物的排放。利用溫差來發電，就是將這些熱量利用起來的極好方法[1-4]。

溫差發電不需要傳動部件，可直接將熱能轉化為電能，其能量轉換過程不涉及化學反應且無需流體介質，其在發電過程中具有無污染、無噪聲、無磨損、體積小、質量輕、便于移動等優點，且其相關材料性能穩定可靠，使用壽命長，所以它是利用廢熱的一種有效方法[5-9]。溫差發電不僅已在軍用電池、微電子、火電發電[10]、汽車[11]發揮了作用，也開始在新能源領域顯現其作用，如太陽能溫差發電[12]。

溫差發電杯就是一種利用杯中熱水使溫差發電片兩端產生溫差進行發電的裝置。現在市面上出售的溫差發電杯一般將溫差發電片置于杯底，溫差發電片的熱端緊貼金屬杯底吸熱，冷端緊貼金屬底座進行散熱，其散熱效果并不理想，從而導致了溫差發電杯的發電效率下降。為此，本文采用 “一杯兩體”結構設計了散熱性能更好的冷熱分離式高效溫差發電杯，其所具有的“一杯兩體”結構還可滿足人們對不同溫度的飲用水的需求。

本文通過Pasco Capstone軟件對傳統溫差發電杯與冷熱分離式高效溫差發電杯的輸出電流、電壓數據進行采集與分析；另外通過對其結果分析冷熱分離式溫差發電杯的性能；為冷熱分離式溫差發電杯的優越性及性能的進一步改進提供依據。

1 產品介紹

1.1 實驗原理

溫差發電是塞貝克效應的一種應用，能夠直接將熱能轉化為電能，適合用于對低品位能源的回收利用，具有其他能量轉換方式沒有的優點，半導體溫差發電特別適合于溫差較小的環境[13]。如圖1(a)所示，若將一個N型半導體和一個P型半導體通過金屬導體連接成一個閉合回路，就構成一個溫差電偶，即熱電單元。當熱電單元的熱面接觸到熱源Qh、冷面接觸到冷源Qc時，在熱電單元兩端形成了溫差，這時就會有電流流經回路，基于塞貝克效應制成的溫差發電片實物如圖1(b)所示。當溫差發電片的兩端存在一定溫差ΔT=TH-TC(TH為熱端溫度，TC為冷源溫度)時[14]，在溫度相差不大的范圍內，溫差電動勢EHC與溫差ΔT成正比，可表示為

EHC=α·ΔT

式中：α為塞貝克系數，又稱為材料對溫差的電動勢率，α=dE/dT，單位為V/K[15]。

1.2 產品設計

冷熱分離式高效溫差發電杯采用“一杯兩體”結構。吸熱杯(盛放熱水)置于發電片吸熱面一側；散熱杯(盛放冷水)置于發電片散熱面另一側，發電片置于導熱金屬隔板中，導熱金屬隔板將吸熱杯與散熱杯隔開，其原理如圖2所示，實物模型如圖3所示。

1-熱水， 2-冷水， 3-溫差發電片

(a)整體效果圖(b)內部視圖

圖3 冷熱分離式高效溫差發電杯實物模型圖

冷熱分離式高效溫差發電杯通過在吸熱杯和散熱杯中分別倒入熱水和冷水，利用兩側溫差進行發電，該杯因采用冷熱兩體的發電模式，散熱效果比一般發電杯好，故發電效率得到了進一步的提高。同時，使用者可以直接使用熱體或冷體中的水，也可通過特制的吸管喝到兩體中的水，該吸管將兩體中的水匯流，可將水溫調節到適宜飲用的溫度。

2 性能測試

2.1 測試原理

為了研究此杯的發電性能，并將其與市場上現有的發電杯進行比較，利用Pasco Capstone軟件對輸出電流、電壓進行數據自動采集，其實驗原理、實物圖分別如圖4、5所示。

2.2 數據測量

利用以上測試原理及裝置，對一般溫差發電杯和冷熱分離式高效溫差發電杯的輸出電流和電壓進行測試，其實驗步驟如下：

1-一般溫差發電杯， 2-測溫探頭， 3-溫差發電片， 4-金屬散熱底座， 5-熱水， 6-冷水， 7-冷熱分離式高效溫差發電杯， 8-隔熱板

圖4 實驗原理圖

圖5 實驗實物圖

(1) 將實驗儀器與電腦連接并打開電源，分別將一般溫差發電杯和冷熱分離式高效溫差發電杯所用的溫差發電片的正負極與裝置的正負極連接，將測溫探頭貼于兩杯杯壁，冷熱分離式高效溫差發電杯冷熱兩端杯壁都需貼上測溫探頭。

(2) 兩杯中同時倒入溫度為75 ℃的熱水，冷熱分離式高效溫差發電杯冷端倒入溫度為26 ℃的冷水，利用Pasco Capstone軟件記錄數據，頻率為15 s/次，記錄時間為20 min。

3 性能對比分析

3.1 兩杯電流、電壓參數對比

根據以上數據分別作出一般溫差發電杯和冷熱分離式高效溫差發電杯的電壓、電流特性曲線，如圖6所示。

圖6 兩杯電流電壓輸出特性曲線

從圖中可得出以下結論：① 冷熱分離式高效溫差發電杯產生的電流在整個區間內均高于一般溫差發電杯，這是由于“一杯兩體”結構提高了溫差發電片的散熱效率，使得其電阻大幅減小。

② 在0～600 s這個區間內，冷熱分離式高效溫差發電杯產生的電壓值高于一般溫差發電杯，隨著時間的推移，其電壓值逐漸減小，這是由于冷熱分離式高效溫差發電杯高效的散熱效果使得溫差發電片兩端的溫差越來越小。此時，冷熱分離式高效溫差發電杯中冷熱體中的水溫越來越接近，說明水的大部分熱能已經轉化為電能。

3.2 兩杯發電杯功率特性對比

根據表1的實驗數據，作出兩杯輸出功率特性曲線如圖7所示。

圖7 兩杯伏安輸出功率特性曲線

從圖7可以看出：冷熱分離式高效溫差發電杯的功率曲線較陡，而一般溫差發電杯的功率曲線較平緩。在0～780 s內冷熱分離式高效溫差發電杯的輸出功率遠大于一般溫差發電杯的功率。這充分說明冷熱分離式溫差發電杯的高效散熱性能。盡管隨著時間的推移，其功率會略小于一般溫差發電杯減小，但總的發電效率是遠大于一般的溫差發電杯的。

4 結 語

冷熱分離式高效溫差發電杯采用一杯兩體的結構，該設計突破了一般溫差發電杯散熱效率低下的缺陷，從而大幅度提高其發電效率，為溫差發電杯的完善和普及開辟了一條新的道路。同時，“一杯兩體”結構還滿足了人們對不同溫度的飲用水的需求，可謂一舉多得。同時，根據實際需求，該杯還可具備USB充電、音樂播放等功能。

[1] 范元元，高 媛，王 樂.一種多功能杯的設計與實現[J].科技創新與應用，2016 (17):53.

[2] Huang T C．Waste heat recovery of organic rankine cycle using dry fluids [J]．Ener Conversion and Management，2001 (5) ：539-553.

[3] 史 丹. “十二五”節能減排的成效與“十三五”的任務[J].中國能源，2015 (9):4-10.

[4] 丁全財. 火電廠余熱綜合利用技術探討[J]. 中國高新技術企業,2013(9):135-137

[5] 褚 澤.半導體廢熱溫差發電技術的研究與開發[D].重慶：重慶大學，2008.

[6] Zhao L D, He J, Berardan D,etal. BiCuSeO oxyselenides: New promising thermoelectric materials [J]. Energy Environ Sci, 2014(7):2900-2924.

[7] Zebarjadi M, Esfarjani K, Dresselhaus M S,etal. Perspectives on thermoelectrics: From fundamentals to device applications [J]. Energy Environ Sci, 2012( 5): 5147-5162.

[8] Kanatzidis M G. Nanostructured thermoelectrics: The new paradigm [J]. Chem Mater, 2010( 22): 648-659.

[9] Yee S K, LeBlanc S, Goodson K E,etal. Per W metrics for thermoelectric power generation: Beyond ZT [J]. Energy Environ Sci, 2013( 6): 2561-2571.

[10] 陳海平，王忠平，云忠平,等. 火電廠排煙余熱用于溫差發電的實驗研究[J]. 電站系統工程,2012(2): 19-21.

[11] 全 睿,譚保華,唐新峰,等. 汽車尾氣溫差發電裝置中熱電器件的試驗研究[J]. 中國機械工程，2014(5)：705-709.

[12] 毛佳妮，江述帆，方 奇,等. 新型太陽能溫差發電集熱體的傳熱特性[J]. 浙江大學學報(工學版)，2015(11)：2205-2213.

[13] 劉 潔，姜 超，代智文.核電站事故后監測一起應急電源研究[J].科技創新，2015 (153):188-191.

[14] 趙建云,朱冬生,周澤廣,等. 溫差發電技術的研究進展及現狀[J]. 電源技術，2010(3)：310-313.

[15] 王長宏，林 濤，曾志環.半導體溫差發電過程的模型分析與數值仿真[J]. 物理學報，2014 (4): 1-6.

ResearchofColdandHotSeparationTypeHighEfficiencyThermoelectricCup

LIUBingjian,GEYiying,LIUDan,CHENDongsheng

(College of Mathematics and Physics, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

By using a "one cup with two spaces" structure, a hot and cold separation type high temperature thermoelectric generating cup is successfully manufactured. Compared with the traditional thermoelectric generator cup, the power generation efficiency is greatly improved. By using the "one cup with two spaces" structure, the cup body is divided into two parts, and the one part is filled with hot water, the other is filled with cold water. The thermoelectric generator is arranged in a heat conducting clapboard which separatesthe cup body, and the electricity is generated bytemperature difference of the cold and hot water, and the cold water is also used for heat dissipation. Thereby, the defects of e traditional thermoelectric generator cups are overcome, the resistance of the thermoelectric generation chip is not increased greatly, and the generation efficiency of the thermoelectric generating cup is greatly improved. On the other hand, "one cup with two spaces" structure can satisfy people’s demand for drinking water with different temperatures.

thermoelectric generation; one cup with two spaces; cold and hot separation; thermoelectric performance

TK 114

A

1006-7167(2017)11-0060-04

2017-03-20

國家自然科學基金資助項目(51672172,11204171)；上海市自然科學基金資助項目(16ZR1413600)

劉炳鍵(1996-)，男，廣西玉林人，本科生。

E-mail：lsc_513440610@qq.com

陳東生(1978-)，男，安徽樅陽人，博士，副教授，研究方向：新能源發電技術，綜合性、設計性實驗的開發與研究等。

Tel.:13371896248; E-mail：cds78@shiep.edu.cn