冷热分离式高效温差发电杯的设计与性能

2017-12-15刘炳键葛伊颖陈东生

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：分离式温差发电

刘炳键，葛伊颖，刘丹，陈东生

(上海电力学院数理学院，上海 200090)

冷热分离式高效温差发电杯的设计与性能

刘炳键，葛伊颖，刘丹，陈东生

(上海电力学院数理学院，上海 200090)

采用 “一杯两体”结构成功制作出冷热分离式高效温差发电杯，相较于传统温差发电杯，其发电效率大幅提高。通过采用“一杯两体”结构将杯体一分为二，一体盛放热水；另一体盛放冷水，温差发电片置于将杯体隔开的导热隔板中，利用冷热水温差进行发电，同时冷水也用于散热，由此克服了传统温差发电杯散热性能差的缺陷，从而使得温差发电片的电阻不会大幅增加，大幅提高了温差发电杯的发电效率。另一方面，“一杯两体”结构可满足人们对不同温度的饮用水的需求。

温差发电；一杯两体；冷热分离；热电性能

0 引言

节能是指尽可能地减少能源的消耗，减少石油、天然气、煤炭、电力等能源的消耗，减排是指减少污染物的排放，减少环境污染。石油、煤炭和天然气等燃料的燃烧过程中会产生废热，据统计，以煤炭作为原料的火电厂，在排烟这一过程中损失的热能就占了煤炭燃烧产生的总热能的5%～12%，如果能把这一部分热量利用起来，不仅能节约能源，也能减少大气污染物的排放。利用温差来发电，就是将这些热量利用起来的极好方法[1-4]。

温差发电不需要传动部件，可直接将热能转化为电能，其能量转换过程不涉及化学反应且无需流体介质，其在发电过程中具有无污染、无噪声、无磨损、体积小、质量轻、便于移动等优点，且其相关材料性能稳定可靠，使用寿命长，所以它是利用废热的一种有效方法[5-9]。温差发电不仅已在军用电池、微电子、火电发电[10]、汽车[11]发挥了作用，也开始在新能源领域显现其作用，如太阳能温差发电[12]。

温差发电杯就是一种利用杯中热水使温差发电片两端产生温差进行发电的装置。现在市面上出售的温差发电杯一般将温差发电片置于杯底，温差发电片的热端紧贴金属杯底吸热，冷端紧贴金属底座进行散热，其散热效果并不理想，从而导致了温差发电杯的发电效率下降。为此，本文采用 “一杯两体”结构设计了散热性能更好的冷热分离式高效温差发电杯，其所具有的“一杯两体”结构还可满足人们对不同温度的饮用水的需求。

本文通过Pasco Capstone软件对传统温差发电杯与冷热分离式高效温差发电杯的输出电流、电压数据进行采集与分析；另外通过对其结果分析冷热分离式温差发电杯的性能；为冷热分离式温差发电杯的优越性及性能的进一步改进提供依据。

1 产品介绍

1.1 实验原理

温差发电是塞贝克效应的一种应用，能够直接将热能转化为电能，适合用于对低品位能源的回收利用，具有其他能量转换方式没有的优点，半导体温差发电特别适合于温差较小的环境[13]。如图1(a)所示，若将一个N型半导体和一个P型半导体通过金属导体连接成一个闭合回路，就构成一个温差电偶，即热电单元。当热电单元的热面接触到热源Qh、冷面接触到冷源Qc时，在热电单元两端形成了温差，这时就会有电流流经回路，基于塞贝克效应制成的温差发电片实物如图1(b)所示。当温差发电片的两端存在一定温差ΔT=TH-TC(TH为热端温度，TC为冷源温度)时[14]，在温度相差不大的范围内，温差电动势EHC与温差ΔT成正比，可表示为

EHC=α·ΔT

式中：α为塞贝克系数，又称为材料对温差的电动势率，α=dE/dT，单位为V/K[15]。

1.2 产品设计

冷热分离式高效温差发电杯采用“一杯两体”结构。吸热杯(盛放热水)置于发电片吸热面一侧；散热杯(盛放冷水)置于发电片散热面另一侧，发电片置于导热金属隔板中，导热金属隔板将吸热杯与散热杯隔开，其原理如图2所示，实物模型如图3所示。

1-热水， 2-冷水， 3-温差发电片

(a)整体效果图(b)内部视图

图3 冷热分离式高效温差发电杯实物模型图

冷热分离式高效温差发电杯通过在吸热杯和散热杯中分别倒入热水和冷水，利用两侧温差进行发电，该杯因采用冷热两体的发电模式，散热效果比一般发电杯好，故发电效率得到了进一步的提高。同时，使用者可以直接使用热体或冷体中的水，也可通过特制的吸管喝到两体中的水，该吸管将两体中的水汇流，可将水温调节到适宜饮用的温度。

2 性能测试

2.1 测试原理

为了研究此杯的发电性能，并将其与市场上现有的发电杯进行比较，利用Pasco Capstone软件对输出电流、电压进行数据自动采集，其实验原理、实物图分别如图4、5所示。

2.2 数据测量

利用以上测试原理及装置，对一般温差发电杯和冷热分离式高效温差发电杯的输出电流和电压进行测试，其实验步骤如下：

1-一般温差发电杯， 2-测温探头， 3-温差发电片， 4-金属散热底座， 5-热水， 6-冷水， 7-冷热分离式高效温差发电杯， 8-隔热板

图4 实验原理图

图5 实验实物图

(1) 将实验仪器与电脑连接并打开电源，分别将一般温差发电杯和冷热分离式高效温差发电杯所用的温差发电片的正负极与装置的正负极连接，将测温探头贴于两杯杯壁，冷热分离式高效温差发电杯冷热两端杯壁都需贴上测温探头。

(2) 两杯中同时倒入温度为75 ℃的热水，冷热分离式高效温差发电杯冷端倒入温度为26 ℃的冷水，利用Pasco Capstone软件记录数据，频率为15 s/次，记录时间为20 min。

3 性能对比分析

3.1 两杯电流、电压参数对比

根据以上数据分别作出一般温差发电杯和冷热分离式高效温差发电杯的电压、电流特性曲线，如图6所示。

图6 两杯电流电压输出特性曲线

从图中可得出以下结论：① 冷热分离式高效温差发电杯产生的电流在整个区间内均高于一般温差发电杯，这是由于“一杯两体”结构提高了温差发电片的散热效率，使得其电阻大幅减小。

② 在0～600 s这个区间内，冷热分离式高效温差发电杯产生的电压值高于一般温差发电杯，随着时间的推移，其电压值逐渐减小，这是由于冷热分离式高效温差发电杯高效的散热效果使得温差发电片两端的温差越来越小。此时，冷热分离式高效温差发电杯中冷热体中的水温越来越接近，说明水的大部分热能已经转化为电能。

3.2 两杯发电杯功率特性对比

根据表1的实验数据，作出两杯输出功率特性曲线如图7所示。

图7 两杯伏安输出功率特性曲线

从图7可以看出：冷热分离式高效温差发电杯的功率曲线较陡，而一般温差发电杯的功率曲线较平缓。在0～780 s内冷热分离式高效温差发电杯的输出功率远大于一般温差发电杯的功率。这充分说明冷热分离式温差发电杯的高效散热性能。尽管随着时间的推移，其功率会略小于一般温差发电杯减小，但总的发电效率是远大于一般的温差发电杯的。

4 结语

冷热分离式高效温差发电杯采用一杯两体的结构，该设计突破了一般温差发电杯散热效率低下的缺陷，从而大幅度提高其发电效率，为温差发电杯的完善和普及开辟了一条新的道路。同时，“一杯两体”结构还满足了人们对不同温度的饮用水的需求，可谓一举多得。同时，根据实际需求，该杯还可具备USB充电、音乐播放等功能。

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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