CN104207588B - 一种基于温差发电的智能水杯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温差发电的智能水杯。现有装置结构庞大，不易携带且温差下降快速，能源利用率极低。一种基于温差发电的智能水杯，杯体为真空杯体，其具有真空腔，杯把内设置有空腔，真空腔内设置有温差发电模块，空腔内设置有控制电路，杯把上设置有与控制电路连接的控制开关、温度显示器和USB接口；所述控制电路包括温差发电控制电路、直流母线、温度控制模块、负载控制电路和超级电容控制电路。本发明利用了目前存在的真空杯的真空腔内外壁之间稳定且长久的温差，提高了热电转化的效率，更具有实用性且更易于实现；本发明可以在人们平时正常喝水时储电，不必特意去充电，既能解决人们紧急情况下的需要，也可以在平时使用。

Description

一种基于温差发电的智能水杯

技术领域

本发明涉及一种智能水杯，尤其是一种基于温差发电的智能水杯。

背景技术

自1821年塞贝克效应被发现以来，温差发电技术的发展已经历了近两个世纪。但长期以来，由于受热电转换效率的制约和成本的限制，温差发电技术主要应用在航天和军事等尖端领域。近年来，一批高性能热电转化材料的出现，为温差发电技术在工业和民用产业的应用提供了可能。世界一些发达国家已先后开展了相关研究，尤其是日本，温差发电技术被作为一种能源和环境的战略技术，得到了大力支持和发展，在热电陶瓷转换材料方面，处于世界领先地位，并已对国外进行热电材料出口。

我国对温差发电技术的研究也已开始多年，在技术和产品自主创新方面也取得了一些成果。2004年，厦门留学人员创业园入驻的厦门纳米克热电电子有限公司已实现对于两面温差达到摄氏60度时，便可实现发电电压3.5V，电流达到3-5A。温差发电效率主要决定于发电材料，目前国内越来越重视温差发电，已逐渐加大对温差发电研发的投入。

据2012年7月的《自然》杂志和物理学家组织网报道，俄亥俄大学找到了一种新方法，能将“自旋塞贝克效应”放大1000倍，将使热电循环的实际应用推进一大步。该应用有助于热电循环，从而最终有望开发出新型热电材料，对于邓方等人的《温差发电水壶》，其介绍了一种应用于野外等恶劣情况下，通过特意的烧水来发电的温差发电装置，确实有紧急应用价值。但其结构庞大，不易携带，使用很不方便，且温差下降快速，能源利用率极低，具有小型发电机的笨重，但没有其的实用。对于厚志刚的《一种可显示水温的饮水杯》，其把温度传感器安装到杯盖处，做成指针状物，能达到水温显示的目的。但其不能实时测量水温，造成真实温度显示的延误，且还得靠外部供电。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积适中，提高热电转化效率，可以为手机电池等充电的基于温差发电的智能水杯。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于温差发电的智能水杯，包括杯体和杯盖，所述杯体为真空杯体，其具有真空腔，杯体的侧部设置有杯把，所述杯把内设置有空腔，所述真空腔内设置有温差发电模块，空腔内设置有控制电路，杯把上设置有与控制电路连接的控制开关、温度显示器和USB接口；所述控制电路包括温差发电控制电路、直流母线、温度控制模块、负载控制电路和超级电容控制电路，温差发电模块与温差发电控制电路连接，温差发电控制电路、温度控制模块、负载控制电路和超级电容控制电路分别与直流母线连接，温度显示器与温度控制模块连接，USB接口与负载控制电路连接。

所述温差发电模块包括数个温差发电片，其串联设置在真空腔内，热面紧贴在腔体内壁上，冷面紧贴在腔体外壁上；所述温差发电控制电路中包括升压模块U1，其型号为SX1315或LM317，所述温度控制模块包括型号为RCV420的控制芯片和型号为WZPB-231的温度传感器。

所述杯盖上具有容置USB数据线的凹槽，凹槽顶端设置有与其匹配的外盖；所述USB接口位于杯把的底端。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用了目前存在的真空杯的真空腔内外壁之间稳定且长久的温差，提高了热电转化的效率，更具有实用性且更易于实现；本发明可以在人们平时正常喝水时储电，不必特意去充电，既能解决人们紧急情况下的需要，也可以在平时使用。

2、本发明内含寿命超长的超级电容，可以随时充电、储能，节约能源，温度显示器可实时显示水杯内水的温度，USB接口进而供手机等负载充电，即方便了人类生活，又能实现能源的再次利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为控制电路连接示意图。

其中：1.杯体；2.杯盖；3.真空腔；4.杯把；5.空腔；6.温差发电模块；7.控制开关；8.温度显示器；9.USB接口；10.温差发电控制电路；11.直流母线；12.温度控制模块；13.负载控制电路；14.超级电容控制电路；15.凹槽；16.外盖。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

参见图1，一种基于温差发电的智能水杯，包括杯体1和杯盖2，杯体1为真空杯体，其具有真空腔3，杯体1的侧部设置有杯把4，杯把4内设置有空腔5，真空腔3内设置有温差发电模块6，空腔5内设置有控制电路，杯把4上设置有与控制电路连接的控制开关7、温度显示器8和USB接口9；控制电路包括温差发电控制电路10、直流母线11、温度控制模块12、负载控制电路13和超级电容控制电路14，温差发电模块6与温差发电控制电路10连接，温差发电控制电路10、温度控制模块12、负载控制电路13和超级电容控制电路14分别与直流母线11连接，温度显示器8与温度显示模块12连接，USB接口9与负载控制电路13连接。

杯盖2中心位置具有容置USB数据线的凹槽15，凹槽15顶端设置有与其匹配的外盖16；所述USB接口9位于杯把4的端部。

参见图2，控制电路中的温差发电控制电路包括升压模块U1、可调电阻RV1、开关K、发光二极管D1、电容C1、电阻R1、电阻R2、二极管D3和D6，型号为SX1315或LM317的升压模块U1与可调电阻RV1、发光二极管D1、电容C1、电阻R1、电阻R2、二极管D3和D6组成升压电路，其输出端直接接直流母线，发光二极管用于显示模块电路是否正常。

温差发电控制电路的具体连接为：升压模块U1的输入端经过开关K连接温差发电模块，开关K的一端依次经过电阻R1和二极管D1接地，开关K的另一端依次经过电阻D6、电阻R2和电容C1后接地，升压模块U1的接地端分别连接可调电阻RV1一端和二极管D3一端，可调电阻RV1另一端接地，二极管D3接入直流总线，升压模块U1的输出端接入直流母线。

变压稳压电路包括LM317L芯片U2、电容C2、发光二极管D2和二极管Ｄ４、D5，电阻Ｒ４以及滑动变阻器ＲＶ２。其中二极管和电容起到保护电路和滤波的作用，变压稳压电路输入端通过开关K1接母线，输出端接USB接口，具体为：LM317L芯片U2的输入端连接母线，其输出端连接USB接口的VCC；LM317L稳压器U2的输入端分别连接二极管D4和电阻R3，二极管D4通过电阻R4和电容C2接地，电阻R3通过二极管D2接地；LM317L稳压器U2的接地端分别连接二极管D5和可调电阻RV2，二极管D5接入USB接口的VCC，可调电阻RV2接地。

超级电容控制电路输入端通过开关K2与直流母线连接，包括超级电容SC,２个Ｂｏｏｓｔ－Ｂｕｃｋ电路，Ｂｏｏｓｔ－Ｂｕｃｋ电路包括电容、电感、二极管、绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ。其中２个Ｂｏｏｓｔ－Ｂｕｃｋ电路反接，起到能量双向流动的作用。

温度控制模块通过开关3与直流母线连接，其选用WZPB-231温度传感器，其输出为4—20mA的电流，随后经RCV420芯片内部电路转化为1—5V的电压信号，再经自制的AD转化电路转化为温度值，经小显示器显示出来，该电路采用常规的电路连接进行控制，只要能够实现温度控制即可。

控制开关7控制开关K、K1、K2和K3的开断。

温差发电模块是利用数个温差发电片，其串联设置在真空腔内，在一定温差下产生电压，其温差发电片的热面紧贴在腔体内壁上，冷面紧贴在腔体外壁上；

温差发电控制电路中的升压模块U1，连接温差发电模块的输出端，将其低电压升压至高压，随后输入到母线上；由直流总线引出导线，输入到以LM317L为中心的变压稳压电路，其电路输出连接到USB输入端；

在平时喝水时，即可打开温差发电控制模块的开关K，使其发电，将电能存储在超级电容中。在想给手机充电时，需打开负载控制模块、温差发电控制模块以及超级电容模块的开关K1、K和K2，即可通过USB接口供手机等负载充电;如若想显示水杯内水的温度，需打开温差发电控制模块、超级电容模块以及温度控制模块的开关K、K2和K3。

本发明的工作原理是：将温差发电片以串联的方式置于真空腔内、外壁之间，并通过导线（此时密封好把手和真空杯外壁之间的导线通道）或无线装置连接到真空杯把手中的控制电路，利用真空腔内外壁之间长久且足够的温差，采用塞贝克效应，经温差发电模块的温差发电片实现热电转化，温差发电控制电路通过温差发电片获得的电能经过开关K连接到升压模块SX1315（或LM317），达到升压的目的，随后将升压后的电能输送到直流母线上去。

对于超级电容，为了能够使能量双向流动，采用２个Ｂｏｏｓｔ－Ｂｕｃｋ电路反并联连接到母线，当手机不充电时，直流母线中的电能直接存储到超级电容中；当手机充电时，手机可从超级电容和温差发电模块同时获得电能，此时超级电容弥补了温差发电不足的情况，利用直流母线的结构形式，可提高手机充电速度。

温度控制模块中的温度传感器将采集到的温度经过温度显示器进行实时显示。

Claims (3)

1.一种基于温差发电的智能水杯，包括杯体（1）和杯盖（2），所述杯体（1）为真空杯体，其具有真空腔（3），杯体（1）的侧部设置有杯把（4），其特征在于：所述杯把（4）内设置有空腔（5），所述真空腔（3）内设置有温差发电模块（6），空腔（5）内设置有控制电路，杯把（4）上设置有与控制电路连接的控制开关（7）、温度显示器（8）和USB接口（9）；所述控制电路包括温差发电控制电路（10）、直流母线（11）、温度控制模块（12）、负载控制电路（13）和超级电容控制电路（14），温差发电模块（6）与温差发电控制电路（10）连接，温差发电控制电路（10）、温度控制模块（12）、负载控制电路（13）和超级电容控制电路（14）分别与直流母线（11）连接，温度显示器（8）与温度控制模块（12）连接，USB接口（9）与负载控制电路（13）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于温差发电的智能水杯，其特征在于：所述温差发电模块（6）包括数个温差发电片，其串联设置在真空腔内，热面紧贴在腔体内壁上，冷面紧贴在腔体外壁上；所述温差发电控制电路（10）中包括升压模块U1，其型号为SX1315或LM317，所述温度控制模块包括型号为RCV420的控制芯片和型号为WZPB-231的温度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于温差发电的智能水杯，其特征在于：所述杯盖（2）上具有容置USB数据线的凹槽（15），凹槽（15）顶端设置有与其匹配的外盖（16）；所述USB接口（9）位于杯把（4）的底端。