基于溫差發電的海洋能源利用研究

李睿偉 王籃儀

（三亞學院，海南 三亞572022）

在進行某些海上研究的時候，我們需要使用一些耗電的設備，比如海下探測器，深海燈之類的科研工具。當然我們可以使用海面上能使用的能源，譬如太陽能，風能，海水的動能等；可是當我們要下潛進行海下研究的時候，可以用到的能源就很少了，因為在深海中沒有陽光，沒有風和海浪，我們只能從海面上攜帶蓄電池一類的儲能器帶入海下，有時候當我們在攜帶的儲能器體積過大時，會對我們的深海作業產生很嚴重的影響，同時也降低了科學研究的效率[1]。

海洋溫差發電系統就是使用淺水和深水溫差以及不同的熱源溫度，然后再通過熱交換器和渦輪機發電。這種系統在我們的現實生活中可能很少會有所接觸了解，而目前社會的海洋發電系統里，熱源溫度一般來源于海平面的溫海水，而另外則是水本身在真空室的沸騰所產生的，這兩種方法的最終目的都是為了制造蒸汽，并且渦輪機還可以被蒸汽驅動發電[2]。然后發電機產生的蒸汽可以被冷水冷卻，最后變成液體，形成一種循環。

海洋的溫差能為什么擁有如此巨大的潛力，正是因為它蘊含著及其豐富的資源量。經過了各種計算之后，國際能源署認為海洋溫差能源的理論含量大約有10000TWh 之多，是陸地的能源儲備含量的1.5 備，同時國際能源署還調查了世界各地的海水分布量及海水溫度的分布，并總結調查出了適合開發并設置海洋溫差發電設備的海域，僅表層水與深層2000 米處海水的溫差就在22 攝氏度左右，甚至以上提到的符合條件的海域就有6500 多萬平方千米。

溫差發電其實就是一種合理利用余熱、太陽能、地熱等低品位能源轉換成為電能的有效方式，因為溫差發電有著結構簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪音等幾方面優點，目前在世界上的研究已經層出不窮，但在我國鮮見相關研究報道，隨著溫差電材料高效穩定的發展，溫差發電的前景將非常明亮。

1 硬件設計

溫差發電效應是1821 年由科學家塞貝克所發現的，所以人們稱之為貝塞克效應，就是兩種不同的金屬構成了閉合回路，當兩個接頭存在了一定的溫差時，回路中就會產生一個電流，于是人們根據這一效應，開始研究溫差發電技術，這一效應也為以后的溫差發電技術奠定了良好的基礎。

在我們研究半導體溫差發電片之前我們要了解半導體溫差發電裝置的原理，其實就是根據塞貝克效應里說的，兩種不同性質的半導體連接在一起，如果一種半導體非接頭端位置接入了一個高溫的環境，而另一種半導體的非接頭端接入一個低溫的環境，這樣兩個半導體的兩端就產生了一個溫差，然后就會產生電動勢E。

設計所采用的半導體溫差發電片，具有一定的耐熱性和抗腐蝕性，在比較高的溫度里也能夠正常的工作，它發電時的轉換效率大約為5.7%。因此我們就可以在各種方面去利用這個溫差發電系統，比如我們可以使用電暖爐的余熱，或者是高熱碳燈等一系列可以產生熱能的裝置來使其發電。或者可以直接帶動節能燈，低功耗電視等其它負載電路。這一發電系統也可以用于在戶外旅行時的照明篝火，讓電力使用的問題不再是問題。

1.1 穩壓模塊

選用了一個穩壓模塊，根據塞貝克效應，半導體溫差發電裝置在工作發電時，半導體兩端所產生的電壓并不是很穩定，所以我們要使用一個能將其兩端的電壓穩定下來的裝置，選用了DM0706015020DS 型號的電源穩壓芯片，這種芯片采用了PCB 散熱自然冷卻的方式，更有利于我們的安裝和使用，使用很長時間也不會產生飄移，適用于很多場合。它的尺寸以及引腳的分布如圖1 所示。

1.2 電壓電流監控模塊

采用STM32F103ZET6 單片機芯片，實際上其就是一種集成電路的芯片，在一塊板上的一小片硅被組合成一個功能齊全的微系統。這種芯片采用了最新ARM嵌入式處理器，更是解決了兩個系統在傳輸過程中消耗大的問題。它的CPU 是ARM32 位cortex-m3，最大的工作效率為72MHz。它甚至還有三種低功耗模式:休眠模式、停止模式和待機模式，同時也降低了廠商的生產成本，更是提供了芯片的計算性能，并使用內置閃存存儲程序，使其在科學研究領域的實用性更強。

1.3 TFT 液晶顯示屏幕

選用TFT 液晶顯示屏幕來顯示我們所監測的溫差發電模塊的發電功率。TFT- LCD 是一種薄膜晶體管式液晶顯示器，在這個液晶顯示器中，每個像素都配置了一個半導體的開關，這樣就能讓每一個像素都可以直接被點脈沖所控制，因而這種顯示器的每一個節點都可以被連續控制并且相互獨立，這種設計不僅加快了TFT 顯示屏的響應速度,更是可以精確地控制色顯,所以TFT 液晶有比一般的顯示器更真實的色彩。

圖1 DM0706015020DS 引腳圖

在這個顯示器高應用的年代，有許許多多的顯示器加入到了競爭之中，那么為什么偏偏TFT-LCD 液晶顯示器就可以從如此之多的平板顯示器中脫穎而出，成為新時代平板顯示器的主流呢，原因就是因為它是人們的科學技術和思考方式的一次必然抉擇。TFT 顯示器首先利用了LCD 的優勢光源優良，很巧妙的避免了有關液晶顯示屏的發光困難問題，同時將內部的發光顯示結構拆開，分為了光源和光源控制兩個部分。它作為了一種新時代的光源，不管你是從發光的效率，還是從屏幕的色彩，或者是使用壽命上來看，它都已經取得了十分傲人的成績，同時更是在不斷地加深優勢。在之后的發展之路上，TFT-LED 顯示屏的背光從薄到厚，它的屏幕顯示從單色到了采色，從側面的熒光燈發展到現在的平面熒光燈，每一種進步都可以使這種屏幕更具優勢。

2 軟件設計

設計用的編程工具是使用Keil 編程軟件來編寫程序。Keil相比于其他的變成軟件，它有著很多的優點。首先它在功能上比其他的軟件更全面，它的可讀性和可維護性也是對比其他軟件有著很大的優勢，更方便我們的操作學習，同時Keil 也可以為我們提供一些相對完整的解決方案，比如包括一些宏匯編器，編譯器庫管理、鏈接器和一個模擬仿真調試器，有了這些就可以很容易的和集成開發環境相集成，所以當我們我們在應用Keil 去進行編程的時候，需要注意軟件要在WIN98、WINXP、WIN2000 等系統中運行，不然將會出現一系列的問題，但即使你使用的是匯編語言而不是C 語言進行編程，你使用Keil 軟件編程也能讓你的編程效率大大提高，因為它的集成環境更易于人們的使用，并且它對于應用軟件仿真的調試也十分的高效。

編程實現當兩個性質不同的半導體的兩端若有溫差，這樣的話半導體的兩端就會產生電動勢，從而生成一個直流電壓供電。

3 系統調試

3.1 溫差發電模塊的調試

在調試溫差發電模塊之前，首先我們要檢查兩個儲水容器與半導體溫差發電片的接觸是否良好，它們的密閉性是否良好。隨后我們在兩個容器中各加入適量的熱水和冷水，然后兩個容器里各插入一個簡易溫度計測量當前的溫度。然后我們等到溫差發電片的兩端溫度達到了相對穩定的情況下時，使用萬用表測出了其模塊的輸出電壓在2.5V 左右，在溫差隨著時間慢慢變小之后，電壓也會隨之減小。

3.2 穩壓模塊的調試

在準備將穩壓模塊接入電路前，首先應該要熟悉有關電源穩壓芯片的性能及各個引腳，然后按照結構示意圖將電源穩壓芯片的引腳接到溫差發電模塊電路中，之后再使用萬用表去測量整個開路的輸出電壓。

3.3 電路監控模塊的調試

在調試電路電壓電流監控模塊之前，首先需要掌握主控單元和T 液晶顯示屏的引腳以及功能結構，為之后連接各個模塊做好準備。之后使用萬用表重新檢查溫差發電模塊以及穩壓模塊的供電是否趨于穩定，為將電路監控模塊接入電路做準備。

4 結論

溫差發電系統其實就是一種能夠將熱能直接轉化為電能的系統，因為只需要利用溫差帶來的能量，所以在發電過程中不需要產生化學反應，同時也是一種全固態的能源轉換發電系統。如果和其他的發電系統相比的話，它也沒有別的發電系統里必備的機械運動部件，所以這種發電系統具有無噪聲污染、無環境污染、耐磨損性強、使用壽命長等多種優勢，因此在工業余熱和廢熱的處理上被人們廣泛的應用。然而隨著地球上能源的匱乏和人們對環保意識的注重，特別是對于全球變暖問題，半導體溫差技術因為其了色環保的優勢受到了人們越來越多的關注。因此該溫差發生器具有很好的推廣和實用價值。

海洋溫差發電技術還是有著很不錯的發展前景，海洋溫差發電的能源將會成為未來所依靠的最重要的能源之一，同時在海洋能源普及的同時，我們對海洋的了解也會越來越透徹，海洋能源的開發利用既是保障國家能源安全的重要舉措，又能充分的顯示出一個國家所擁有的可持續發展能力和綜合國力。