一種新型多功能杯的設計與實現(xiàn)

摘 要：文章通過對溫差發(fā)電技術的研究，設計了一種新型的溫差發(fā)電水杯。通過實施多層式的結構設計，達到了自身發(fā)電，環(huán)保節(jié)能，智能防燙的功能。

關鍵詞：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)展的一項長遠發(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，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。

利用溫差來發(fā)電，就是一種能源再利用的極好方法，因為其應用不需要使用傳動部件，工作時靜音、無排棄物，對環(huán)境沒有污染，且相關材料性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應用前景的環(huán)保節(jié)能材料?；谶@些優(yōu)點，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。本項目旨在制造組裝一個環(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)電轉化成電能，以供給功能模塊使用。

1 產(chǎn)品設計思路

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

2 多功能杯設計原理分析

2.1 物理思想

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

2.2 實驗原理和方法

利用半導體的賽貝克效應，我們在保溫杯內(nèi)層底部加裝半導體溫差發(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行發(fā)電，一部分供給杯體美化照明，一部分供給外部設備發(fā)聲。

3 新型多功能杯的模塊及測試

3.1 組成設計

新型多功能杯分為三個模塊：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，同時選用杯子底部是平面的，以便于使熱源與動力模塊的元件更好的接觸。大大增加熱傳導速率，同時也減少傳導過程中的能量損耗。

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 實驗數(shù)據(jù)

我們采用型號為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。對此我們測量了2～4片發(fā)電片發(fā)電功率與時間的關系，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)，這是因為發(fā)電片數(shù)量少，導熱快，故發(fā)電功率更高。但隨著20分鐘以后，2片串聯(lián)的發(fā)電功率下降的非常快，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，這是因為雖然多了一個發(fā)電片，但使得熱傳導速率變慢。從制作成本及實驗效果來看，選三片串聯(lián)比較經(jīng)濟實惠。對3片組合繼續(xù)試驗，發(fā)現(xiàn)水溫在35℃時，音樂片停止工作，此時水溫適宜飲用，故在音樂片發(fā)聲時，要小心燙傷。進一步測試表明，此組合能提供LED小燈一個小時的發(fā)光。

4 結束語

利用塞貝克效應，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。實驗數(shù)據(jù)表明，3片串聯(lián)的發(fā)電片組合，具有最高性價比。

參考文獻

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

[2]Huang T.C.Wasteheat recovery of Organic Rankine Cycleusing dryfluids[J].Ener Conversion and Management，2001，42（5）：539-553.

[3]張鵬，曾狄根，黃學章.半導體溫差發(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)電技術的研究進展及現(xiàn)狀[J].電源技術，2010，3：310-313.