CN108667349A - 基于展向导热的保温杯发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于展向导热的保温杯发电系统及方法，属于传热领域。该系统中弧形的温差发电元件（6）安置在保温层中，其热端与内壁（3），冷端与导热层（5），导热层（5）与外壁（4）分别紧密接触，杯中热水的热量通过导热依次由内壁（3）、温差发电元件（6）、导热层（5）、传递到外壁（4），最后通过对流换热散发到周围环境中。温差发电元件（6）产生的电能被储存在超级电容器（11）中用以驱动显示组件（8），显示器将测温元件（9）和重力传感器（10）测得的水温和水量显示出来。本专利温度和水量显示解决了传统保温杯功能单一的缺点；展向导热的利用可以降低温差发电元件（6）冷端温度，从而提高发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于展向导热的保温杯发电系统及方法，特别是保温杯内温差发电技术冷端展向导热的方法，属于传热领域。
背景技术
现在传统的保温杯只有储水与保温的功能，对于一下特别的人群，如病人在吃药时，有时需要知道杯中热水的温度和水量，这就是传统保温杯无法实现的功能。再者，长时间放置的保温杯内热水的热量会散发到环境中，这部分热量传统保温杯无法得到利用，是一种资源浪费。
温差发电是一种新型的发电方式，结构紧凑，没有震动或噪声，安全无污染。但是也存在不可忽视的缺陷，在发电过程中温差能利用的最大困难是温差太小，能量密度太低。所以温差能转换电能的关键是强化传热技术。温差发电虽然有人已经提出了用在保温杯上了，但是没有很好的设计冷端散热，导致温差发电效率很低下。
综上所述，本发明提出一种基于展向导热的保温杯发电系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于展向导热的保温杯发电系统及方法。
一种基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：包括杯体和杯座；上述杯体由内向外包括内壁、保温层、导热层和外壁；其中导热层与外壁紧密接触；还包括弧形的温差发电元件；温差发电元件安置于保温层中，其热端与内壁紧密接触，冷端与导热层紧密接触；各个接触面上可以涂抹导热硅脂。
该保温杯还包括镶嵌在外壁的显示组件，安装于杯体底部和杯座底部之间的测温元件，重力传感器，安装于杯座中的超级电容器；上述显示组件包含电路板与LED数码显示器，显示组件通过导线与超级电容器的输出端口连接，超级电容器的充电接口与温差发电元件输出端口相连接；测温元件和重力传感器与显示组件电路板上的信号处理模块相连接。这样设计可以在不增加保温杯体积的情况下加装相关电子和测量器件。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述外壁与环境接触的那一面可以加装半球形突起的肋片，这样设计可以增加外壁与周围空气的对流换热面积，减小表面对流换热热阻，加快换热。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述导热层是环形的，紧贴在外壁(4)的内表面上，其材料为导热系数高于200W/m·K的金属或非金属材料，特别是石墨烯，这样设计可以加快热量的导热展向传递。导热层的厚度δ为外壁厚度的3～10倍，展向面积A为未加装肋片的外壁展向面积的50～90％，这样设计主要可以使温差发电元件冷端出来的热量充分散开在导热层内，并通过较大面积的外壁区域来散热。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述温差发电元件是与保温杯口径匹配的环形或者弧形形状的半导体温差发电片或半导体制冷片，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品，温差发电元件的发电功率要大于0.005W。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述保温层为真空层或保温材料层,或真空层与保温材料层的组合。这样设计可以减少不必要的热量损失。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述保温材料层的材料导热系数范围是0～0.2W/m·K。这样设计可以使水温随时间尽可能得缓慢下降。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述测温元件可以是热电偶，也可以是热电阻、半导体热敏电阻计、或者双金属温度计。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：上述超级电容器安装在杯座里，这样设计可以使电容器远离热水热源，保持电容器较低的工作温度，从而提高电容器的工作电压，电容器的内阻也不会上升，可提高电容器的使用效率；其电容量由用电设备持续工作的时间来确定。电容量计算的方法示例：假设保温杯内所有用电设备的总功率为0.1W，每加一次热水要持续工作8h，工作电压范围为2.5V-5V，恒功率的情况下，所需电容容量：
C—电容量(F)，P—功率(W)，t—时间(t)，U—电压(V)。
所述的基于展向导热的保温杯发电系统的方法，其特征在于包括以下过程：上述温差发电元件的热端紧贴内壁吸收热量，冷端通过紧贴导热层，导热层与外壁紧密接触，通过展向导热来传递来自杯体中热水的热量，热量经由外壁与周围环境进行自然对流或者强制对流换热；外壁与环境接触的那一面可以增加半球形突起的肋片，可以增加对流换热的面积，加大换热量，显著提高温差发电元件冷热端的温差，提高发电效率。
附图说明
图1是本专利的整体结构示意图；
图2是本专利的局部三维结构示意图(剖去一半外壁和一半导热层)；
图3是本专利的三维结构示意图；
图4是本专利的外壁示意图；
图5是本专利的电路图；
图中标号名称：1-杯体、2-杯座、3-内壁，4-外壁，5-导热层，6-温差发电元件，7-保温层，8-显示组件，9-测温元件,10-重力传感器，11-超级电容器，12-半球形突起的肋片。
具体实施方法
下面结合附图对本专利进一步说明。
如图1所示，一种基于展向导热的保温杯发电系统及方法是通过以下方式进行工作的：温差发电元件的热端紧贴内壁吸收来自杯体内热水的热量，冷端通过紧贴导热层，导热层与外壁紧密接触，通过展向导热来传递来自杯体中热水的热量，热量经由外壁与周围环境进行对流换热被带走。
如图2所示，温差发电元件处于保温杯的底部，可以成环形包裹住内壁(如图a)，也可以只有一定的弧度的扇形贴着内壁(如图b)。考虑到热水水位对温差发电元件利用热能的影响，温差发电元件应该位于保温杯的底部(1/3水位高度)，根据用户喝水习惯，一般用户只有在水位低于保温杯总水位1/3时才会去加热水，所以此设计可以使温差发电元件始终处于工作状态。
如图3所示，保温杯外部的整体设计如图所示，外表面上有一块LED数码显示屏，显示屏的表面积大约为2.5～25cm2，又因为单色LED显示屏的功率一般为200W左右一个平方，所以此显示屏的功率为0.05～0.5W。
如图4所示，该保温杯的外壁与环境接触的那一面可以增加半球形突起的肋片，肋片的形状与排布可以参考图4中所示的形式，这么设计可以增加对流换热的面积，加大换热量，显著提高温差发电元件冷热端的温差，提高发电效率。假设超级电容器的充电功率为0.2W，温差发电元件的发电效率为1％，由此计算得到冷端散热量为19.8W，外壁与周围环境的温差假设为恒定10℃，对流换热系数h＝30W/(m2·℃)，计算可得外壁的面积为660cm2，如果保温杯外部尺寸为Φ65×195mm，则外壁表面积最大为400cm2小于660cm2，这时就需要增加半球形突起的肋片来增加换热面积来减小对流换热热阻了。
如图5的电路图所示，温差发电元件发出的电首先储存在超级电容器中，然后持续给显示组件供电使其工作；测温元件和重力传感器传来的信号经过显示组件中中电路板的信号处理模块处理最终以数字形式显示在LED显示屏上。
Claims (8)
1.一种基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：
包括杯体（1）和杯座（2）;
上述杯体（1）由内向外包括内壁（3）、保温层（7）、导热层（5）和外壁（4）；其中导热层（5）与外壁（4）紧密接触；
还包括弧形的温差发电元件（6）；温差发电元件（6）安置于保温层（7）中，其热端与内壁（3）紧密接触，冷端与导热层（5）紧密接触；
还包括镶嵌在外壁（4）的显示组件（8），安装于杯体（1）底部和杯座（2）底部之间的测温元件（9）与重力传感器（10），安装于杯座（2）中的超级电容器（11）；
上述显示组件（8）包含电路板与LED数码显示器，显示组件（8）通过导线与超级电容器（11）的输出端口连接，超级电容器（11）的充电接口与温差发电元件（6）输出端口相连接；测温元件（9）和重力传感器（10）与显示组件（8）电路板上的信号处理模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：
上述外壁（4）的外侧加装半球形突起的肋片。
3.根据权利要求1所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：
上述导热层（5）是环形的，紧贴在外壁（4）的内表面上，其材料为导热系数高于200W/m·K的金属或非金属材料；导热层（5）的厚度δ为外壁（4）厚度的3～10倍，展向面积A为未加装肋片的外壁（4）展向面积的50～90%。
4.根据权利要求1所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：
上述温差发电元件（6）是弧形的半导体温差发电片或半导体制冷片，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。
5.根据权利要求1所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：
上述保温层（7）为真空层或保温材料层,或真空层与保温材料层的组合。
6.根据权利要求5所述的基于展向导热的保温杯发电系统，其特征在于：
上述保温材料层的材料导热系数范围是0～0.2W/m·K。
7.根据权利要求1所述的基于展向导热的保温杯发电系统及方法，其特征在于：
上述测温元件（9）是热电偶，或热电阻，或半导体热敏电阻计，或双金属温度计。
8.根据权利要求1所述的基于展向导热的保温杯发电系统的方法，其特征在于包括以下过程：
上述温差发电元件（6）的热端紧贴内壁（3）吸收热水热量，冷端通过紧贴导热层（5），导热层（5）与外壁（4）紧密接触，通过展向导热来传递来自杯体（1）中热水的热量，热量经由外壁（4）与周围环境进行自然对流或者强制对流换热被带走。
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