CN103948233A

CN103948233A - 温差发电水壶

Info

Publication number: CN103948233A
Application number: CN201410183179.9A
Authority: CN
Inventors: 邓方; 李勇; 陈杰; 窦丽华; 樊欣宇; 李凤梅; 赵勇立; 顾晓丹; 李佳洪; 闫宏航
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-30
Also published as: CN103948233B

Abstract

本发明公开了一种温差发电水壶。使用本发明能够利用在野外等恶劣环境下烧水时产生的热能进行发电，为各种电子设备提供应急电源。本发明的温差发电水壶包括水壶内胆、水壶外壁、水壶底座、温差发电片、散热部件、稳压储能与控制模块和USB接口，可以实现在烧水的同时进行发电，并辅以稳压及储能装置对产生的能量进行有效的存储及变换。本装置采用的结构较为简单，通过发电水壶底座的形状设计，可以使温差发电片的热端具有较为均匀的温度分布，同时由于采用散热装置，增加了加热时与水的接触面积，提高了加热速度，而且采用了一些指示和保护装置，提高了本装置的安全性，同时本装置在工艺上易于实现，适用范围广泛。

Description

温差发电水壶

技术领域

本发明涉及发电能源技术领域，具体涉及一种温差发电水壶。

背景技术

温差发电又叫热电发电，是一种绿色环保的发电方式，其基本原理为塞贝克效应。温差发电技术是一种利用热能直接进行发电的技术，与传统的发电方式相比，具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、工作时无噪声、无废弃物排放、使用寿命长、可靠性高等一系列的优点，是一种环境友好型的发电方式。利用温差发电技术可以将太阳能、地热能、工业余热废热等各种低品位热能直接转化成电能，正是由于温差发电具有上述优点，使得其在航空、军事等领域得到了广泛应用。

现有的一些温差发电水杯装置，主要是利用向杯子中添加热水，利用热水的温度与外界环境的温差进行发电的。例如，奚天敬在其专利《温差发电杯》中介绍了一种温差发电杯，通过向杯内倒入热水，利用杯子内外温差进行发电，可直观体现出热能转换为电能的过程，主要用于教学活动，使学生对热能与电能的转换有更好的理解；田海金在《可以发电的热水杯》中设计了一个利用日常生活中饮水杯的低品位耗散热能，发电效率高，性能稳定的温差发电杯，使普通杯子具备了饮水、发电、听音乐、照明等功能，且环保、节能、卫生，无任何污染，这两种方法利用水温进行发电，但由于热水的温度不会超过100℃，因此这种发电方式无法获得更大的温度差，发电功率比较小，在野外等恶劣环境下发电量不足。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种与军用水壶相结合的温差发电水壶，能够利用在野外等恶劣环境下烧水时产生的热能进行发电，为各种电子设备提供应急电源。

本发明的温差发电水壶包括水壶内胆、水壶外壁、水壶底座、温差发电片、散热部件、稳压储能与控制模块和USB接口；其中，水壶内胆置于水壶外壁的内部；水壶底座包括水壶壶底和温差发电片底座，温差发电片底座位于水壶壶底的几何中心；温差发电片固定放置在温差发电片底座上，其热端与温差发电片底座接触，冷端与水壶内胆的底部接触；水壶底座通过固定螺栓A与水壶内胆连接，通过固定螺栓B与水壶外壁连接；散热部件固定放置在水壶内胆内的底部；水壶内胆一侧向内凹陷，形成稳压储能与控制模块的安装空间，水壶外壁上设有USB接口和LED灯；稳压储能与控制模块固定安装在水壶内胆上，与USB接口、温差发电片、LED灯连接。

其中，所述温差发电片为采用Bi₂Te₃或Sb₂Te₃材料制成的半导体发电器件。

所述水壶底座采用导热性大于100W/m·K的金属材料制成，温差发电片底座与水壶壶底的厚度和大于2mm。

所述散热部件为齿状，材料为铝合金。

所述水壶外壁包括左右两部分，左右两部分通过固定部件相连。

所述水壶外壁与水壶内胆之间填充有硬质类隔热保温材料或软质类隔热保温材料，水壶外壁上设有出气孔。

所述温差发电片与稳压储能与控制模块之间的连接线为GN500型电缆。

有益效果：

本发明可以实现燃烧产生的热量向电能的直接转换，可以在烧水的同时进行发电，并辅以稳压及储能装置对产生的能量进行有效的存储及变换，且本装置采用的结构较为简单，通过发电水壶底座的形状设计，可以使温差发电片的热端具有较为均匀的温度分布，同时由于采用散热装置，增加了加热时与水的接触面积，提高了加热速度，而且采用了一些指示和保护装置，提高了本装置的安全性，同时本装置在工艺上易于实现，适用范围广泛。

附图说明

图1为温差发电水壶整体剖面示意图。

图2为温差发电水壶底座示意图。

图3为温差发电水壶内胆示意图。

图4为温差发电水壶外壁示意图。

其中，1-水壶壶口，2-水壶内胆，3-水壶外壁，4-温度指示灯，5-USB接口，6-出气孔，7-稳压储能与控制模块，8-散热部件，9-固定螺栓A，10-固定螺栓B，11-水壶底座，12-温差发电片，13-温差发电片底座，14-水壶壶底，15-固定螺栓C，16-固定部件。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种温差发电水壶，包括水壶内胆2、水壶外壁3、水壶底座11、温差发电片12、散热部件8、稳压储能与控制模块7和USB接口5，其中，包括水壶温差发电片12放置在水壶底座11的中央，位于水壶底座11和内胆2之间，水壶外壁3位于水壶内胆2的外侧，水壶底座11通过固定螺栓9与水壶内胆2连接，温差发电水壶底座11通过固定螺栓10与水壶外壁3连接，散热部件8位于水壶内胆2内的底部，稳压储能与控制模块7设置在水壶内胆2上，并与温差发电片12连接；USB接口5设置在水壶外壁5上，并与稳压储能与控制模块7连接，水壶外壁上还设有出气孔6。

水壶底座用于隔离热源及传热。由于本温差发电水壶的热源为使用木材或燃料烧水时产生的火，而火的温度很高，例如，家用煤气灶的温度约为300℃，酒精灯燃烧时外焰的温度可达600℃，木材燃烧时的温度一般也能到600℃，而温差发电器热端能承受的最高温度一般不超过300℃。因此，需要将较高的燃烧温度与温差发电器热端进行隔离，并保证导热性较好。本发明采用具有较好导热性(100W/m·K以上)的金属材料，如铝合金或铜等，制作一个具有一定厚度(底座的厚度应保证不能烧坏发电片)的水壶底座，实现对火源和温差发电片的隔离以及热量的有效传导。由于火苗会随周围环境而飘动，因此会造成在烧水时水壶底座的受热是不均匀的，可以认为某一时刻水壶底座的热量分布是随机的，而温差发电片工作时其热端温度分布应尽量保持均匀。通过仿真分析发现，由于铝合金材料的导热性能要远好于空气的导热性能，热量会优先通过铝合金材料进行传导。因此采用如图2所示的方式进行水壶底座的设计，水壶底座11为中间带有方形凸起的圆盘，一体成型，其中，中间凸起部分称为温差发电底座13，其余部分称为水壶壶底14。水壶底座的厚度是一个很重要的因素，底座太厚会造成传热速率慢，影响温差发电效果，底座太薄则会导致发电片烧坏。通过采用Ansys热分析和实际测试发现，当底座的厚度大于2毫米时，就可以在酒精灯为热源的情况下安全运行15分钟以上，并将水烧开。因此，温差发电器底座13和水壶壶底14的厚度分别为1.5毫米和1毫米，温差发电片12放置在温差发电器底座13上。

温差发电片是温差发电装置的核心部件，其发电功率和发电效率与所用材料的塞贝克系数密切相关，一般由纯金属构成的热电偶塞贝克系数的平均值约为20μV/K，由合金材料构成的热电偶，塞贝克系数平均值约为50μV/K，而对于半导体材料而言，塞贝克系数可达1000μV/K，因此应选用塞贝克系数较高的半导体材料的温差发电片作为本发明的温差发电片。通过查阅资料发现，Bi₂Te₃/Sb₂Te₃是目前优值系数(即ZT值，与温差发电材料的塞贝克系数的平方成正比例关系)最高的热电材料，优值系数约为1，目前一般采用Bi₂Te₃材料制成的半导体发电器件，本发明选择商用发电器件TEHP1-24156-1.2作为温差发电装置的温差发电片，TEHP1-24156-1.2的性能参数如表1所示：

表1TEHP1-24156-1.2性能参数

水壶内胆主要用来存放水，其底部与温差发电片的冷端相连，通过水来吸收热量，降低发电片的冷端温度，保持温差发电器的两个面的温度差。为了获得好的换热效果，水壶内胆的底部应尽可能扩大与水的接触面积，为此，本发明在水壶内胆2的底部安装如图3所示的齿状散热部件8，散热部件8材料选用导热性能较好，同时密度较轻的铝合金材料。同时为了放置稳压储能以及控制模块7，在水壶内胆中部向内凹陷，预留了一个长方体的空间，用于固定放置稳压储能与控制模块7，同时水壶内胆2的底部有螺栓9用于将内胆2与水壶底座11进行连接。

水壶外壁将水壶底座、温差发电片和水壶内胆固定起来，使之成为一个整体。为了保证温差发电水壶结实耐用，水壶外壁采用具有一定硬度的材料如铝合金材料制成，同时水壶外壁3与水壶内胆2之间用硬质类隔热保温材料或软质类隔热保温材料如反射隔热保温涂料ZS-211进行填充，以免将底座11吸收的热量直接传递给水壶内胆2，影响发电效果。

水壶外壁3可以一体成型直接套在水壶内胆上，或者由左右两部分组成，左右部分通过固定部件16相连，水壶外壁3与水壶底座11通过固定螺栓10相连。

在水壶外壁3上设有温度指示灯4和USB接口5，温度指示灯4和USB接口5与稳压储能与控制模块相连，用来指示水壶中水的温度和输出产生的稳定的电能。

另外，由于水壶在烧水时，其水壶内胆2与水壶外壁3之间的间隙中的空气会被加热到很高的温度，体积会大幅度的膨胀，因此，在水壶外壁3上设有出气孔6，以免发生危险。

稳压储能与控制模块7用于将温差发电片12产生的电能进行存储，并输出稳定的电压，同时测量水壶中的水温，当水沸腾时提示用户移除热源。稳压储能与控制模块7包括4个部分：稳压部分、储能部分、测温部分和状态指示部分。

其中，稳压部分采用开关管稳压方式的来保证系统输出的稳定，通过对输出电压的采样，结合一定的控制算法(如PID控制算法)，可以使输出电压稳定在期望的水平，输出电压的灵活性较好，并且对输入电压的要求不高。为了提高系统的效率，采用MOSFET作为稳压控制电路的开关管。本发明中使用的MOSFET具体型号为IRFP250。

储能部分选用超级电容器作为能量存储设备，因为它具有充电速度快、功率密度大、安全系数高、使用寿命长，同时，超级电容器对电路结构的要求较低、理论上不需要设置特殊的充电控制电路和放电控制电路，且超级电容器的使用时间不会受到过充电、过放电的影响。

测温部分用于测量水壶中水的温度。本发明中对温度的检测精度要求不高，同时为了节约成本，选择DS18B22这种价格较低、精度不高的温度传感器，DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。DS1822省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2℃，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是一款经济型的产品。

状态指示部分采用一个LED指示灯闪烁来提示水壶中水的沸腾，提示用户尽快熄灭或移除火源，以免损坏发电装置。

由于烧水时水壶内的温度很高，普通的导线无法胜任将温差发电片产生的电能传输到稳压储能与控制模块的功能，本发明中选用能承受500摄氏度高温的GN500型的耐高温电缆作为温差发电片12与稳压储能与控制模块7之间的连接线。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种温差发电水壶，其特征在于，包括：水壶内胆(2)、水壶外壁(3)、水壶底座(11)、温差发电片(12)、散热部件(8)、稳压储能与控制模块(7)和USB接口(5)；其中，水壶内胆(2)置于水壶外壁(3)的内部；水壶底座(11)包括水壶壶底(14)和温差发电片底座(13)，温差发电片底座(13)位于水壶壶底(14)的几何中心；温差发电片(12)固定放置在温差发电片底座(13)上，其热端与温差发电片底座(13)接触，冷端与水壶内胆(2)的底部接触；水壶底座(11)通过固定螺栓A(9)与水壶内胆(2)连接，通过固定螺栓B(10)与水壶外壁(3)连接；散热部件(8)固定放置在水壶内胆(2)内的底部；水壶内胆(2)一侧向内凹陷，形成稳压储能与控制模块(7)的安装空间，水壶外壁(3)上设有USB接口(5)和LED灯；稳压储能与控制模块(7)固定安装在水壶内胆(2)上，与USB接口(5)、温差发电片(12)、LED灯连接。

2.如权利要求1所述的温差发电水壶，其特征在于，所述温差发电片(12)为采用Bi₂Te₃或Sb₂Te₃材料制成的半导体发电器件。

3.如权利要求1所述的温差发电水壶，其特征在于，所述水壶底座(11)采用导热性大于100W/m·K的金属材料制成，温差发电片底座(13)与水壶壶底(14)的厚度和大于2mm。

4.如权利要求1所述的温差发电水壶，其特征在于，所述散热部件(8)为齿状，材料为铝合金。

5.如权利要求1所述的温差发电水壶，其特征在于，所述水壶外壁(3)包括左右两部分，左右两部分通过固定部件(16)相连。

6.如权利要求1所述的温差发电水壶，其特征在于，所述水壶外壁(3)与水壶内胆(2)之间填充有硬质类隔热保温材料或软质类隔热保温材料，水壶外壁(3)上设有出气孔(6)。

7.如权利要求1所述的温差发电水壶，其特征在于，所述温差发电片(12)与稳压储能与控制模块(7)之间的连接线为GN500型电缆。