摘 要：文章通過對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一種新型的溫差發(fā)電水杯。通過實(shí)施多層式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到了自身發(fā)電，環(huán)保節(jié)能，智能防燙的功能。

關(guān)鍵詞：溫差發(fā)電；多功能水杯；智能防燙音樂杯；發(fā)光杯

節(jié)能是我國可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，是我國的基本國策[1]。狹義的講，節(jié)能是指盡可能的減少能源消耗，節(jié)約煤炭、石油、電力、天然氣等能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類在日常生活和工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所利用的熱能有50%會(huì)以余熱/廢熱的形式直接排放掉[2]，這從節(jié)能減排角度講是極大的浪費(fèi)。

利用溫差來發(fā)電，就是一種能源再利用的極好方法，因?yàn)槠鋺?yīng)用不需要使用傳動(dòng)部件，工作時(shí)靜音、無排棄物，對(duì)環(huán)境沒有污染，且相關(guān)材料性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)保節(jié)能材料?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，自1980年以來，一批火爐溫差發(fā)電器、汽車尾氣溫差發(fā)電器相繼被開發(fā)出來。但目前市場(chǎng)上利用熱水杯內(nèi)熱能發(fā)電的杯子普及率還比較低，并且由于水的比熱很大（4.2*103J/（kg*℃）），任由熱量白白散發(fā)是一定的損失。本項(xiàng)目旨在制造組裝一個(gè)環(huán)保發(fā)電發(fā)光發(fā)聲防燙杯，利用熱水杯中的內(nèi)能發(fā)電轉(zhuǎn)化成電能，以供給功能模塊使用。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

該產(chǎn)品多功能在于有以下幾個(gè)功能：（1）智能防燙，利用燈光警示。燈亮?xí)r預(yù)示著人體不能接受的溫度，燈滅時(shí)則可以喝。（2）音樂伴隨，在品茶過程中，享受音樂的美妙。同時(shí)，音樂也起到了防燙預(yù)警的作用，音樂響起時(shí)不能喝，音樂停時(shí)可以喝。

2 多功能杯設(shè)計(jì)原理分析

2.1 物理思想

兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的兩端存在溫度差異時(shí)將會(huì)在這兩種物質(zhì)間產(chǎn)生電壓差，此即賽貝克效應(yīng)。理論和實(shí)驗(yàn)研究[3，4]表明，這種發(fā)電效率為1%～10%，雖然效率偏低，但經(jīng)過我們的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明足以保證我們的功能模塊的用電。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理和方法

利用半導(dǎo)體的賽貝克效應(yīng)，我們?cè)诒乇瓋?nèi)層底部加裝半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，在加入熱水后，利用熱水作為熱端，杯底接觸物作為冷端進(jìn)行發(fā)電，一部分供給杯體美化照明，一部分供給外部設(shè)備發(fā)聲。

3 新型多功能杯的模塊及測(cè)試

3.1 組成設(shè)計(jì)

新型多功能杯分為三個(gè)模塊：杯體模塊、發(fā)電模塊、功能模塊。

杯體模塊：杯身采用不銹鋼材料，同時(shí)選用杯子底部是平面的，以便于使熱源與動(dòng)力模塊的元件更好的接觸。大大增加熱傳導(dǎo)速率，同時(shí)也減少傳導(dǎo)過程中的能量損耗。

發(fā)電模塊的元件有：溫差發(fā)電片、升壓片，將溫差發(fā)電片通過串聯(lián)的方式組合在一起，然后將其貼在杯子底部，溫差發(fā)電片的下面貼上經(jīng)過處理的鋁片。接觸處用導(dǎo)熱硅膠涂抹均勻。再把溫差發(fā)電片輸出的電傳給功能模塊。

功能模塊元件有：LED發(fā)光燈、小型音樂片等。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

我們采用型號(hào)為sp1848-27145的溫差發(fā)電片，在室溫為17℃的環(huán)境中，采用串聯(lián)的鏈接方法，去尋找最合適的發(fā)電片組合。對(duì)此我們測(cè)量了2～4片發(fā)電片發(fā)電功率與時(shí)間的關(guān)系，給定初始溫差為80℃，得到如圖1所示的P-T圖。

從圖1中可以看出，在最初的20分鐘內(nèi)，2片串聯(lián)的功率明顯高于3片和4片串聯(lián)，這是因?yàn)榘l(fā)電片數(shù)量少，導(dǎo)熱快，故發(fā)電功率更高。但隨著20分鐘以后，2片串聯(lián)的發(fā)電功率下降的非?？?，而3片與4片的發(fā)電功率穩(wěn)定性較好，且4片的發(fā)電功率僅略高于3片，這是因?yàn)殡m然多了一個(gè)發(fā)電片，但使得熱傳導(dǎo)速率變慢。從制作成本及實(shí)驗(yàn)效果來看，選三片串聯(lián)比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。對(duì)3片組合繼續(xù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水溫在35℃時(shí)，音樂片停止工作，此時(shí)水溫適宜飲用，故在音樂片發(fā)聲時(shí)，要小心燙傷。進(jìn)一步測(cè)試表明，此組合能提供LED小燈一個(gè)小時(shí)的發(fā)光。

4 結(jié)束語

利用塞貝克效應(yīng)，在水杯底部裝發(fā)電片，可提供普通LED小發(fā)光燈及小型音樂片正常工作所需的電能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，3片串聯(lián)的發(fā)電片組合，具有最高性價(jià)比。

參考文獻(xiàn)

[1]郭耀煌，王愛軍，郭強(qiáng).略論我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[J].軟科學(xué)，1998，4.

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[3]張鵬，曾狄根，黃學(xué)章.半導(dǎo)體溫差發(fā)電在工業(yè)余熱利用中的可行性分析[J].廣西輕工業(yè)，2009，12：27-28.

[4]趙建云，朱冬生.溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀[J].電源技術(shù)，2010，3：310-313.