基于溫差發(fā)電的海洋能源利用研究

李睿偉 王籃儀

（三亞學(xué)院，海南 三亞572022）

在進(jìn)行某些海上研究的時(shí)候，我們需要使用一些耗電的設(shè)備，比如海下探測(cè)器，深海燈之類的科研工具。當(dāng)然我們可以使用海面上能使用的能源，譬如太陽(yáng)能，風(fēng)能，海水的動(dòng)能等；可是當(dāng)我們要下潛進(jìn)行海下研究的時(shí)候，可以用到的能源就很少了，因?yàn)樵谏詈Ｖ袥](méi)有陽(yáng)光，沒(méi)有風(fēng)和海浪，我們只能從海面上攜帶蓄電池一類的儲(chǔ)能器帶入海下，有時(shí)候當(dāng)我們?cè)跀y帶的儲(chǔ)能器體積過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)我們的深海作業(yè)產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響，同時(shí)也降低了科學(xué)研究的效率[1]。

海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)就是使用淺水和深水溫差以及不同的熱源溫度，然后再通過(guò)熱交換器和渦輪機(jī)發(fā)電。這種系統(tǒng)在我們的現(xiàn)實(shí)生活中可能很少會(huì)有所接觸了解，而目前社會(huì)的海洋發(fā)電系統(tǒng)里，熱源溫度一般來(lái)源于海平面的溫海水，而另外則是水本身在真空室的沸騰所產(chǎn)生的，這兩種方法的最終目的都是為了制造蒸汽，并且渦輪機(jī)還可以被蒸汽驅(qū)動(dòng)發(fā)電[2]。然后發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的蒸汽可以被冷水冷卻，最后變成液體，形成一種循環(huán)。

海洋的溫差能為什么擁有如此巨大的潛力，正是因?yàn)樗N(yùn)含著及其豐富的資源量。經(jīng)過(guò)了各種計(jì)算之后，國(guó)際能源署認(rèn)為海洋溫差能源的理論含量大約有10000TWh 之多，是陸地的能源儲(chǔ)備含量的1.5 備，同時(shí)國(guó)際能源署還調(diào)查了世界各地的海水分布量及海水溫度的分布，并總結(jié)調(diào)查出了適合開(kāi)發(fā)并設(shè)置海洋溫差發(fā)電設(shè)備的海域，僅表層水與深層2000 米處海水的溫差就在22 攝氏度左右，甚至以上提到的符合條件的海域就有6500 多萬(wàn)平方千米。

溫差發(fā)電其實(shí)就是一種合理利用余熱、太陽(yáng)能、地?zé)岬鹊推肺荒茉崔D(zhuǎn)換成為電能的有效方式，因?yàn)闇夭畎l(fā)電有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪音等幾方面優(yōu)點(diǎn)，目前在世界上的研究已經(jīng)層出不窮，但在我國(guó)鮮見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道，隨著溫差電材料高效穩(wěn)定的發(fā)展，溫差發(fā)電的前景將非常明亮。

1 硬件設(shè)計(jì)

溫差發(fā)電效應(yīng)是1821 年由科學(xué)家塞貝克所發(fā)現(xiàn)的，所以人們稱之為貝塞克效應(yīng)，就是兩種不同的金屬構(gòu)成了閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接頭存在了一定的溫差時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流，于是人們根據(jù)這一效應(yīng)，開(kāi)始研究溫差發(fā)電技術(shù)，這一效應(yīng)也為以后的溫差發(fā)電技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

在我們研究半導(dǎo)體溫差發(fā)電片之前我們要了解半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的原理，其實(shí)就是根據(jù)塞貝克效應(yīng)里說(shuō)的，兩種不同性質(zhì)的半導(dǎo)體連接在一起，如果一種半導(dǎo)體非接頭端位置接入了一個(gè)高溫的環(huán)境，而另一種半導(dǎo)體的非接頭端接入一個(gè)低溫的環(huán)境，這樣兩個(gè)半導(dǎo)體的兩端就產(chǎn)生了一個(gè)溫差，然后就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E。

設(shè)計(jì)所采用的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，具有一定的耐熱性和抗腐蝕性，在比較高的溫度里也能夠正常的工作，它發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)換效率大約為5.7%。因此我們就可以在各種方面去利用這個(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)，比如我們可以使用電暖爐的余熱，或者是高熱碳燈等一系列可以產(chǎn)生熱能的裝置來(lái)使其發(fā)電?；蛘呖梢灾苯訋?dòng)節(jié)能燈，低功耗電視等其它負(fù)載電路。這一發(fā)電系統(tǒng)也可以用于在戶外旅行時(shí)的照明篝火，讓電力使用的問(wèn)題不再是問(wèn)題。

1.1 穩(wěn)壓模塊

選用了一個(gè)穩(wěn)壓模塊，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置在工作發(fā)電時(shí)，半導(dǎo)體兩端所產(chǎn)生的電壓并不是很穩(wěn)定，所以我們要使用一個(gè)能將其兩端的電壓穩(wěn)定下來(lái)的裝置，選用了DM0706015020DS 型號(hào)的電源穩(wěn)壓芯片，這種芯片采用了PCB 散熱自然冷卻的方式，更有利于我們的安裝和使用，使用很長(zhǎng)時(shí)間也不會(huì)產(chǎn)生飄移，適用于很多場(chǎng)合。它的尺寸以及引腳的分布如圖1 所示。

1.2 電壓電流監(jiān)控模塊

采用STM32F103ZET6 單片機(jī)芯片，實(shí)際上其就是一種集成電路的芯片，在一塊板上的一小片硅被組合成一個(gè)功能齊全的微系統(tǒng)。這種芯片采用了最新ARM嵌入式處理器，更是解決了兩個(gè)系統(tǒng)在傳輸過(guò)程中消耗大的問(wèn)題。它的CPU 是ARM32 位cortex-m3，最大的工作效率為72MHz。它甚至還有三種低功耗模式:休眠模式、停止模式和待機(jī)模式，同時(shí)也降低了廠商的生產(chǎn)成本，更是提供了芯片的計(jì)算性能，并使用內(nèi)置閃存存儲(chǔ)程序，使其在科學(xué)研究領(lǐng)域的實(shí)用性更強(qiáng)。

1.3 TFT 液晶顯示屏幕

選用TFT 液晶顯示屏幕來(lái)顯示我們所監(jiān)測(cè)的溫差發(fā)電模塊的發(fā)電功率。TFT- LCD 是一種薄膜晶體管式液晶顯示器，在這個(gè)液晶顯示器中，每個(gè)像素都配置了一個(gè)半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)，這樣就能讓每一個(gè)像素都可以直接被點(diǎn)脈沖所控制，因而這種顯示器的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以被連續(xù)控制并且相互獨(dú)立，這種設(shè)計(jì)不僅加快了TFT 顯示屏的響應(yīng)速度,更是可以精確地控制色顯,所以TFT 液晶有比一般的顯示器更真實(shí)的色彩。

圖1 DM0706015020DS 引腳圖

在這個(gè)顯示器高應(yīng)用的年代，有許許多多的顯示器加入到了競(jìng)爭(zhēng)之中，那么為什么偏偏TFT-LCD 液晶顯示器就可以從如此之多的平板顯示器中脫穎而出，成為新時(shí)代平板顯示器的主流呢，原因就是因?yàn)樗侨藗兊目茖W(xué)技術(shù)和思考方式的一次必然抉擇。TFT 顯示器首先利用了LCD 的優(yōu)勢(shì)光源優(yōu)良，很巧妙的避免了有關(guān)液晶顯示屏的發(fā)光困難問(wèn)題，同時(shí)將內(nèi)部的發(fā)光顯示結(jié)構(gòu)拆開(kāi)，分為了光源和光源控制兩個(gè)部分。它作為了一種新時(shí)代的光源，不管你是從發(fā)光的效率，還是從屏幕的色彩，或者是使用壽命上來(lái)看，它都已經(jīng)取得了十分傲人的成績(jī)，同時(shí)更是在不斷地加深優(yōu)勢(shì)。在之后的發(fā)展之路上，TFT-LED 顯示屏的背光從薄到厚，它的屏幕顯示從單色到了采色，從側(cè)面的熒光燈發(fā)展到現(xiàn)在的平面熒光燈，每一種進(jìn)步都可以使這種屏幕更具優(yōu)勢(shì)。

2 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)用的編程工具是使用Keil 編程軟件來(lái)編寫(xiě)程序。Keil相比于其他的變成軟件，它有著很多的優(yōu)點(diǎn)。首先它在功能上比其他的軟件更全面，它的可讀性和可維護(hù)性也是對(duì)比其他軟件有著很大的優(yōu)勢(shì)，更方便我們的操作學(xué)習(xí)，同時(shí)Keil 也可以為我們提供一些相對(duì)完整的解決方案，比如包括一些宏匯編器，編譯器庫(kù)管理、鏈接器和一個(gè)模擬仿真調(diào)試器，有了這些就可以很容易的和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境相集成，所以當(dāng)我們我們?cè)趹?yīng)用Keil 去進(jìn)行編程的時(shí)候，需要注意軟件要在WIN98、WINXP、WIN2000 等系統(tǒng)中運(yùn)行，不然將會(huì)出現(xiàn)一系列的問(wèn)題，但即使你使用的是匯編語(yǔ)言而不是C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，你使用Keil 軟件編程也能讓你的編程效率大大提高，因?yàn)樗募森h(huán)境更易于人們的使用，并且它對(duì)于應(yīng)用軟件仿真的調(diào)試也十分的高效。

編程實(shí)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)性質(zhì)不同的半導(dǎo)體的兩端若有溫差，這樣的話半導(dǎo)體的兩端就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而生成一個(gè)直流電壓供電。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 溫差發(fā)電模塊的調(diào)試

在調(diào)試溫差發(fā)電模塊之前，首先我們要檢查兩個(gè)儲(chǔ)水容器與半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的接觸是否良好，它們的密閉性是否良好。隨后我們?cè)趦蓚€(gè)容器中各加入適量的熱水和冷水，然后兩個(gè)容器里各插入一個(gè)簡(jiǎn)易溫度計(jì)測(cè)量當(dāng)前的溫度。然后我們等到溫差發(fā)電片的兩端溫度達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的情況下時(shí)，使用萬(wàn)用表測(cè)出了其模塊的輸出電壓在2.5V 左右，在溫差隨著時(shí)間慢慢變小之后，電壓也會(huì)隨之減小。

3.2 穩(wěn)壓模塊的調(diào)試

在準(zhǔn)備將穩(wěn)壓模塊接入電路前，首先應(yīng)該要熟悉有關(guān)電源穩(wěn)壓芯片的性能及各個(gè)引腳，然后按照結(jié)構(gòu)示意圖將電源穩(wěn)壓芯片的引腳接到溫差發(fā)電模塊電路中，之后再使用萬(wàn)用表去測(cè)量整個(gè)開(kāi)路的輸出電壓。

3.3 電路監(jiān)控模塊的調(diào)試

在調(diào)試電路電壓電流監(jiān)控模塊之前，首先需要掌握主控單元和T 液晶顯示屏的引腳以及功能結(jié)構(gòu)，為之后連接各個(gè)模塊做好準(zhǔn)備。之后使用萬(wàn)用表重新檢查溫差發(fā)電模塊以及穩(wěn)壓模塊的供電是否趨于穩(wěn)定，為將電路監(jiān)控模塊接入電路做準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

溫差發(fā)電系統(tǒng)其實(shí)就是一種能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)，因?yàn)橹恍枰脺夭顜?lái)的能量，所以在發(fā)電過(guò)程中不需要產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也是一種全固態(tài)的能源轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)。如果和其他的發(fā)電系統(tǒng)相比的話，它也沒(méi)有別的發(fā)電系統(tǒng)里必備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，所以這種發(fā)電系統(tǒng)具有無(wú)噪聲污染、無(wú)環(huán)境污染、耐磨損性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等多種優(yōu)勢(shì)，因此在工業(yè)余熱和廢熱的處理上被人們廣泛的應(yīng)用。然而隨著地球上能源的匱乏和人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的注重，特別是對(duì)于全球變暖問(wèn)題，半導(dǎo)體溫差技術(shù)因?yàn)槠淞松h(huán)保的優(yōu)勢(shì)受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。因此該溫差發(fā)生器具有很好的推廣和實(shí)用價(jià)值。

海洋溫差發(fā)電技術(shù)還是有著很不錯(cuò)的發(fā)展前景，海洋溫差發(fā)電的能源將會(huì)成為未來(lái)所依靠的最重要的能源之一，同時(shí)在海洋能源普及的同時(shí)，我們對(duì)海洋的了解也會(huì)越來(lái)越透徹，海洋能源的開(kāi)發(fā)利用既是保障國(guó)家能源安全的重要舉措，又能充分的顯示出一個(gè)國(guó)家所擁有的可持續(xù)發(fā)展能力和綜合國(guó)力。