邱承圣，李城州，王麗娟，徐海璐

（南京工業(yè)大學(xué) 浦江學(xué)院，江蘇南京，211134）

0 引言

近年來，隨著資源的過度開發(fā)和由此導(dǎo)致的環(huán)境惡化為人類敲響了警鐘，隨著化石能源的日益匱乏，人類的能源形勢也變得越來越嚴(yán)峻[1]。

在提高經(jīng)濟(jì)活動(dòng)成本的同時(shí)，能源的不可持續(xù)使用也使生存環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，加大對(duì)新能源和資源回收利用的研究投入。

清潔能源的開發(fā)和使用將越來越重要，因?yàn)槟茉聪暮铜h(huán)境問題變得更加迫切。將熱能有效地通過溫差轉(zhuǎn)化為電能，是清潔能源領(lǐng)域的重要發(fā)展。溫度差發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)是不動(dòng)部件，不污染噪音，不排放廢氣，可靠性高。因此，溫度差發(fā)電技術(shù)的研究在理論和工程上都具有十分重要的價(jià)值。

半導(dǎo)體溫度差發(fā)電是一種全固態(tài)發(fā)電方式，利用半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能。溫度差發(fā)電有5大顯著優(yōu)勢，比傳統(tǒng)發(fā)電方式更具優(yōu)勢。一是不含機(jī)械部件、不會(huì)產(chǎn)生噪音、發(fā)電過程中不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的溫度差發(fā)電技術(shù)；二是熱源適應(yīng)性強(qiáng)，可在不同溫度下實(shí)現(xiàn)熱電的轉(zhuǎn)換，適當(dāng)選用熱電材料；三是體積小，重量輕，攜帶方便，隨拿隨走；四是運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，可靠性高，壽命長。不需要長時(shí)間維護(hù)，性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，無需長時(shí)間保養(yǎng)；五是在能源轉(zhuǎn)換過程中不產(chǎn)生廢料的安全無污染幾乎無污染的溫差環(huán)境發(fā)電技術(shù)[1～2]。因此，無論是國內(nèi)還是國外，利用溫度差發(fā)電技術(shù)將各種熱能轉(zhuǎn)換成電能就成了一個(gè)炙手可熱的研究課題。

1 設(shè)計(jì)原理

原理是根據(jù)Seebeck 效應(yīng)制成的半導(dǎo)體溫度差發(fā)電模塊，將兩個(gè)半導(dǎo)體的吸熱端(熱端)置于高溫下，在低溫環(huán)境的另一端散熱端(冷端)得到電動(dòng)勢E[3]:

式中：αs為Seebeck 系數(shù)，單位為V/K。

Seebeck 系數(shù)αs是由材料本身的電子能帶結(jié)構(gòu)決定的。

在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體廣泛用于產(chǎn)生溫差所帶來的能量轉(zhuǎn)換，這種半導(dǎo)體主要被分類為P 型和N 型兩種類型。P型半導(dǎo)體帶有帶正電的空穴，而N 型半導(dǎo)體則攜帶帶負(fù)電的自由電子。由于這兩種載流子的電極性質(zhì)不同，因此相同溫度梯度下，P 型和N 型半導(dǎo)體產(chǎn)生的電位差極性也不同。利用這種特性，經(jīng)過一定量的交替排列的P 型和N 型半導(dǎo)體進(jìn)行組合，從而形成了一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換模塊。

本設(shè)計(jì)用了一個(gè)尺寸為40mm×40mm×3.4mm 的溫度區(qū)分功率模塊，127 對(duì)PN 結(jié)，Bi-TeRoHs 合金作為溫度區(qū)分功率模塊的主要原材料，連續(xù)工作溫度最高120℃，最高125℃。溫度差發(fā)電元件兩端有溫度差，則轉(zhuǎn)換元件可以產(chǎn)生連續(xù)的直流電流，而且元件兩端的溫度差越大，其產(chǎn)生的直流電流就越大，熱電轉(zhuǎn)換的效率也就越高，因此，轉(zhuǎn)換元件兩端的溫度差越大。

本研究測量了其開路電壓和開路電壓性能與熱端溫度在不同冷端溫度下的關(guān)系[4]，見圖1（Tc：冷端溫度）。

圖1 隨著熱端溫度的不同，開路電壓與開路電壓的表現(xiàn)關(guān)系

2 實(shí)物設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

本文想研究設(shè)計(jì)的是一種基于初始電池的自溫差發(fā)電給自己供電，并且基于Arduino 主板控制的實(shí)時(shí)溫度檢測模塊和電池實(shí)時(shí)電量并顯示于OLED 屏幕的溫控水杯。因?yàn)闇夭畎l(fā)電消耗熱量較快，且溫差發(fā)電有最低溫度差，當(dāng)開水(100℃)倒入杯中激活溫差發(fā)電裝置時(shí)，會(huì)快速消耗熱量進(jìn)行發(fā)電，并且有鋁制散熱片進(jìn)行散熱，保證溫差發(fā)電片具有溫差發(fā)電的同時(shí)，可對(duì)開水進(jìn)行有效散熱，當(dāng)溫度降到一定溫度，發(fā)電停止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫度的控制。

基于溫差發(fā)電的溫控水杯的設(shè)計(jì)由以上三個(gè)硬件部分組成。溫度差發(fā)電部分與蓄電池部分相連，蓄電池部分與Arduino 主控硬件部分相連，見圖2、圖3。

圖2 溫差發(fā)電溫控水杯設(shè)計(jì)圖

圖3 實(shí)物放電拍攝

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 溫差發(fā)電硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了以Bi-TeRoHs 合金為主要原材料的溫差發(fā)電組件，溫差發(fā)電參數(shù)為：溫差40 度：開路電壓1.8V，發(fā)電電流：368mA；溫差60 度：開路電壓2.4V，發(fā)電電流：469 mA；溫差80 度：開路電壓3.6V，發(fā)電電流：558mA；溫差100 度：開路電壓4.8V，發(fā)電電流：669mA。溫差發(fā)電模塊：將一個(gè)不銹鋼杯體和半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的吸熱面（熱端）粘貼，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件的散熱面（冷端）與散熱鋁片相連，以此保證半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件不會(huì)因?yàn)闊嵩吹臒醾鲗?dǎo)而失去兩面的溫度差，而失去發(fā)電能力。因?yàn)榭紤]到還會(huì)有其他方式進(jìn)行散熱，溫差發(fā)電所得開路電壓并達(dá)不到5V，需要升壓模塊來將電壓升至穩(wěn)壓5V，才能進(jìn)行穩(wěn)定提供供電。

本設(shè)計(jì)采用的升高電壓原理[5]。當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉時(shí)，輸入的電壓被施加到電感器上面，電感器此時(shí)被電壓（Vi）通電，增加的電感器上的電流為：（Vi）＊Ton。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，二極管VD 由于持續(xù)輸出電流而變得導(dǎo)電，電感器被關(guān)閉，電感器減少的電流為：（Vo-Vi）＊Toff。如果開關(guān)關(guān)閉時(shí)達(dá)到平衡，(VI)＊TON=(VO-VI)＊TOFF，VI

結(jié)合實(shí)際生活中的使用需求，使溫差發(fā)電的溫差更小，本文研究設(shè)計(jì)的溫控水杯溫差發(fā)電模組用到的升壓模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 本文所用升壓器原理圖

溫差發(fā)電的關(guān)鍵部件是散熱器，它直接影響著溫差發(fā)電的功率輸出，成為提高該功率輸出的必要因素。散熱器以冷空氣在翅片之間流動(dòng)為主要散熱過程，通過熱交換與翅片表面實(shí)現(xiàn)向外界空氣傳熱的目標(biāo)，自然空氣冷卻則是主要的冷卻方式。通過合理的散熱模塊設(shè)計(jì)，可以達(dá)到減少材料用量和裝置重量，同時(shí)還能夠降低散熱所需電能，提高裝置的工作效率。

2.2.2 蓄電池硬件設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件經(jīng)過升壓模塊的升壓穩(wěn)壓后雖能供給Arduino 的5V 用電需求，但是發(fā)電時(shí)間短，并不適用于長時(shí)間使用，為此本設(shè)計(jì)配置了一塊1500mA/3.7V的鋰電池[6]（鋰電池具有能量比高、使用壽命長、重量輕、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)），利用又一升壓模塊來給Arduino 進(jìn)行無線供電，并考慮到如果在溫差發(fā)電給鋰電池充電的同時(shí)使用Arduino 會(huì)使鋰電池進(jìn)行邊充邊放，這樣不利于電池的長期使用，而且會(huì)對(duì)電池造成損傷，為此，本設(shè)計(jì)將充電與放電過程分為兩部分，使用一個(gè)開關(guān)控制，開關(guān)為充電時(shí)僅進(jìn)行充電操作，反之供電。使水杯整體攜帶，使用簡單、方便、快捷。

2.2.3 Arduino 主控硬件設(shè)計(jì)

主芯片選用Arduino UNO R3，輕松上手經(jīng)典[7]。經(jīng)典上手方便。

本文選用四針腳分辨率高、體積小、功耗小的0.96 英寸OLED 顯示屏。OLED，有機(jī)發(fā)光二極管，由于其出色的特性，如自發(fā)光、無背光、高對(duì)比度、薄、寬視角、快速響應(yīng)時(shí)間、靈活性、寬溫度范圍以及簡單的設(shè)計(jì)和制造工藝，被公認(rèn)是下一代平板顯示應(yīng)用。該模塊有4 個(gè)觸點(diǎn)：VCC、GND、SCL 和SDA。VCC 是電源觸點(diǎn)，用于為模塊供電，通常是3.3V 或5V。GND 是接地觸點(diǎn)，用于模塊接地。SCL 是時(shí)鐘信號(hào)接點(diǎn)，用來作為時(shí)鐘信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。SDA是數(shù)據(jù)信號(hào)引腳，用于數(shù)據(jù)傳輸。它通常應(yīng)連接到主站的數(shù)據(jù)引腳。使用I2C 接口時(shí)，該引腳也可以被指定為SDA（順序數(shù)據(jù)線）。

溫度感應(yīng)器采用防水的DS18B20 數(shù)碼溫度感應(yīng)器，可直接放入水中，以測量水溫。DS18B20 溫度傳感器相當(dāng)精確，不需要外部元件。它可以測量從-55℃～+125℃的溫度，精度為±0.5℃。然而，默認(rèn)設(shè)置為12 位（即0.0625℃的精度）。該傳感器可以在3V 和5.5V 之間操作，在有效的溫度轉(zhuǎn)換過程中只消耗1mA。DS18B20 數(shù)碼溫度感應(yīng)器為3 線接口：分為A 型和B 型。在連接電線之前，要對(duì)傳感器的接口進(jìn)行標(biāo)記。A 型：紅線（VCC），黑線（GND），黃線（DATA）；B 型：紅線（VCC），黑線（GND），綠線（DATA）。

電路原理圖如圖5 所示。

圖5 電路原理圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上硬件設(shè)計(jì)，已初步建立好溫差發(fā)電溫控水杯的硬件框架，以下為Arduino 的軟件設(shè)計(jì)部分，編程語言為Arduino 語言，為使溫控水杯更人性化設(shè)計(jì)及使用方便，我們外置采用OLED 顯示屏顯示：電池剩余電量；實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水溫。軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖6 所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)主流程圖

軟件調(diào)試采用Arduino 1.8.15，在 Arduino IDE 中打開一個(gè)新的項(xiàng)目，并確保已經(jīng)安裝了 OneWire 庫（用于DS18B20 傳感器）。

子程序1，DS18B20 溫度傳感器部分程序如下：

子程序2，在 Arduino IDE 中打開一個(gè)新的項(xiàng)目，并確保已經(jīng)安裝了 Adafruit SSD1306 庫（用于 OLED 屏幕），導(dǎo)入所需的庫。在代碼的頂部添加以下行：

OLED 顯示屏的部分程序如下所示：

3 結(jié)論

溫差發(fā)電技術(shù)提供了一種利用低質(zhì)量熱源的新方法，并具有獨(dú)特的優(yōu)勢，即只要溫差存在就能發(fā)電，這就開辟了廣泛的應(yīng)用。

熱電材料沒有氣態(tài)或液態(tài)流出物，能量轉(zhuǎn)換過程中不排放廢水、廢氣等污染物，是一種對(duì)環(huán)境幾乎零排放的能源材料，對(duì)保護(hù)環(huán)境、改善人類生存和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

本文采用基于熱電材料Seebeck 效應(yīng)的溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的溫控水杯，安裝方便，加工成本低，熱變電效率較高，充分利用了開水的熱量，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益，運(yùn)行安全可靠，無污染，有促進(jìn)市場推廣的前景。