胡艦

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

關(guān)鍵詞：可調(diào)設(shè)式保溫；LED燈照明；塞貝克效應(yīng)；杯內(nèi)水溫顯示

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

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

而在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的時代，人們對保溫杯人性化功能的需求也越發(fā)強烈。在日常生活中，非可調(diào)設(shè)式保溫杯越發(fā)表現(xiàn)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(nèi)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(nèi)放置幾小時后飲用時，已經(jīng)成為冷水?？梢?，非可調(diào)設(shè)式保溫杯只能實現(xiàn)單純的保溫功能，不能滿足很大部分人的真實需求。而可調(diào)設(shè)式保溫杯可以根據(jù)使用者的設(shè)定，將熱水進行發(fā)電，冷卻到使用者設(shè)定的溫度時停止發(fā)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(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

本產(chǎn)品在發(fā)電時有2種方式，2種方式伴隨著2種不同的能量轉(zhuǎn)換：①通過杯內(nèi)熱水與外界大氣的溫度差，將熱水中的熱能轉(zhuǎn)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(qū)域加溫，使杯壁溫度與杯內(nèi)的冷水溫度形成溫差，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存到可充電的蓄電池中，以此來實現(xiàn)能源更大程度的利用。該水杯滿足現(xiàn)代移動設(shè)備對電能的高度需求，并且有可調(diào)設(shè)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(fā)展前景

當(dāng)接一杯100 ℃的水到杯內(nèi)，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(shè)備急需充電而又身處室外沒有電源時，利用溫差發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)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(fā)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(chǎn)品剛好將兩者結(jié)合在一種產(chǎn)品上實現(xiàn)，并且增加可調(diào)設(shè)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(chǎn)品功能

產(chǎn)品利用溫差發(fā)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(shè)備充電、LED燈照明、可控式保溫、杯內(nèi)水溫顯示以及其他耗能元件的電能消耗。

移動設(shè)備充電：用溫差發(fā)電器儲存在蓄電池中的電能對移動設(shè)備充電。

LED燈照明：內(nèi)置式鑲嵌LED燈，利用溫差發(fā)電對其供電，在需要時實現(xiàn)照明。

可控式保溫：杯內(nèi)裝有熱水時，可通過水溫液晶顯示屏對保溫的溫度進行設(shè)定，實現(xiàn)水在設(shè)定溫度范圍內(nèi)保溫功能。

杯內(nèi)水溫顯示：內(nèi)置式液晶顯示屏，通過溫差發(fā)電器對溫差的強敏感性，直接利用溫差發(fā)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(shè)備，也包括保溫杯內(nèi)部的一些電路原件的電能消耗。

3 設(shè)計原理及分析

3.1 物理原理

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

塞貝克效應(yīng)的實質(zhì)在于2種金屬接觸時會產(chǎn)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(dǎo)體材料產(chǎn)生的ΔV比一般導(dǎo)體材料產(chǎn)生的ΔV更大，因此，半導(dǎo)體材料常被作為溫差發(fā)電器的理想材料。溫差發(fā)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(dāng)高溫端、低溫端的ΔT越大，發(fā)電電壓也就越大。塞貝克效應(yīng)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(shù)，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(shù)，由于后者跟材料物性有關(guān)，因此只能加大溫差，以達到目的。

3.2 溫差發(fā)電的實現(xiàn)

3.2.1 太陽能溫差發(fā)電

太陽能溫差發(fā)電主要適用于光照時間長、強的時段（夏天）。當(dāng)身處環(huán)境沒有充電電源時，可采用太陽能溫差發(fā)電，為自己的移動設(shè)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(qū)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(qū)域，因此，即使微弱的光也可以被曲形鏡聚集在工作區(qū)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(xiàn)長時間保持恒定的溫差。

低溫端：低溫端依靠杯內(nèi)冷水進行降溫，由于水的比熱容比較大，依靠半導(dǎo)體導(dǎo)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(fā)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(fā)電，并將所發(fā)電能用蓄電池進行儲存，在需要時為移動設(shè)備進行充電或使用其他功能時使用。

優(yōu)點：使用局限性較少，有太陽光照就可以進行發(fā)電，可在室外使用，并且發(fā)電時溫差恒定，其輸出電壓也可保持穩(wěn)定。

缺點：發(fā)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(fā)電

身處室內(nèi)，用保溫杯接一杯100 ℃的水。此時，在使用者設(shè)定保溫溫度后，利用熱水與外界空氣的溫差發(fā)電，為自己的移動設(shè)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(nèi)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(qū)可達零下幾十?dāng)z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(fā)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(fā)電，并將所發(fā)電能用蓄電池進行儲存，在需要時為移動設(shè)備進行充電或使用其他功能時使用。

優(yōu)點：達到工作溫度時間短，可即時發(fā)電，熱水所儲存的熱能大，用于發(fā)電的熱能多，且不受天氣的影響。

缺點：隨著發(fā)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(fā)電電壓將會降低。并且可調(diào)設(shè)式保溫功能與熱水溫差發(fā)電功能在某一程度上會相互制約。當(dāng)熱水的保溫溫度設(shè)置較高時，用于發(fā)電的熱能將減少，發(fā)電量也將減少。但如果熱水的保溫溫度設(shè)置為30～40 ℃，發(fā)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(dǎo)熱系數(shù)很小的材料，在杯子上開一個通道用于溫差發(fā)電器的工作。當(dāng)溫度達到設(shè)定溫度時，自動停止溫差發(fā)電模塊，關(guān)閉冷卻通道，進行保溫，高性能的保溫材料可以實現(xiàn)長時效的保溫。

在設(shè)置好保溫溫度時，通過一個按鈕使熱水溫差發(fā)電模塊的低溫端與杯壁接觸，進行工作。當(dāng)發(fā)電電壓低于用戶設(shè)置溫度的發(fā)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(fā)電模塊停止工作，杯內(nèi)的熱能不能通過半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊向外散失，實現(xiàn)保溫功能，如圖5所示。

4 設(shè)計模型

溫差發(fā)電杯能實現(xiàn)太陽能、水溫2種溫差發(fā)電。為實現(xiàn)2種發(fā)電功能及可調(diào)設(shè)式保溫，設(shè)計杯體模型，如圖6所示。

5 結(jié)論

目前，市場上的水杯大多都只為實現(xiàn)盛水、單純保溫而設(shè)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(diào)設(shè)式保溫，因此，多形式能溫差發(fā)電可調(diào)設(shè)式保溫杯可以實現(xiàn)諸多人性化的功能，能給人們提供更好的服務(wù)。隨著今后技術(shù)難題不斷被攻克和制造業(yè)水平的不斷提升，未來水杯的發(fā)展將會實現(xiàn)更多人性化的功能。多種形式能溫差發(fā)電可調(diào)設(shè)式保溫杯在今后將有很好的發(fā)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

[1]許志建，徐行.塞貝克效應(yīng)與溫差發(fā)電[J].現(xiàn)代物理知識，2004（1）.

[2]胡紅利，劉斐.LED燈散熱及余熱回收系統(tǒng)[J].中國照明電器，2009（1）.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]朱善明，劉穎，林兆莊，等.工程熱力學(xué)[M].第二版.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

〔編輯：劉曉芳〕