CN110401377A - 一种用于食品加热器具的无电池温差发电装置 - Google Patents

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普世平
李欣然
陈有根
李志勇
尹俊波
危韧勇
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明设计了一种用于食品加热器具的无电池温差发电装置，属于热电转换装置领域，其应用对象为家用非插电食品加热器具，装置功能为满足非插电食品加热器具在无外接电源条件下的供电需求。该装置包括温差发电模块、超级电容储能模块和平衡模块三个部分。当加热器具内外出现温度差时，装置内温差发电模块发电并通过平衡模块中的升压电路将电能存储在超级电容储能模块内部，在接入用电设备后可将电能输出，同时平衡模块中的稳压电路具备实时稳定输出电压功能，可以将波动变化的输出电压及时调整至外接用电设备的额定电压，从而保证输出电压的准确和稳定。本专利实现简单，成本低，无外接电源且对环境无污染，有助于推动半导体温差发电的创新及应用。

Description

一种用于食品加热器具的无电池温差发电装置
技术领域
温差发电涉及塞贝克效应，本发明专利无电池温差发电装置属于热电转换装置领域。
背景技术
近年来随着石油煤炭等不可再生能源的持续消耗以及全球变暖、气体水体污染、臭氧层破坏等环境问题的日益突出，持续化、高效化和环境友好化成为人类对于能源利用的更高追求。在此环境下温差发年技术以其特有优势在近几年发展势头迅猛。
温差发电的发电技术原理是塞贝克效应，塞贝克效应是将热能直接转换成不同类型热电材料连接处的电能，其最初由意大利科学家Alessandro Volta于1794年发现，后因波罗的海德国物理学家Thomas Johann Seebeck在1821年独立地重新发现了该效应将其命名为塞贝克效应。具体表述为将两种半导体的一端结合在一起并使之处于高温状态，而另一端开路且处于低温状态，则在低温端存在开路电压即塞贝克电压，塞贝克电压与热冷两端的温度差成正比。
目前温差发电的技术短板主要在于能源转换效率低，能源利用不足，温差发电效率最高不超过4％，但同时温差发电又具有体积小、固态主动式制冷、无运动部件、无噪音、易于集成、易于精确控制的发电优势，所以在军事、航天以及民用等领域具有极大的应用价值和发展潜力。随着温差发电技术在民用领域的逐步应用，该技术领域也在不断拓展，相关技术研究也在向前发展，我国温差发电技术研究主要集中在发电理论和优值系数以及热电材料三个方面，旨在能够总结更加完善的温差发电理论，制备性能更加优良的温差发电材料，从而提高温差发电效率。
日常生活中存在着大量的被浪费的生活余热，如夏季空调室外机排出的热量，食品加工器具关闭后的内部高温，房屋顶部吸收的太阳辐射等，可考虑将其收集并为半导体温差发电提供所需能量，实现从热能到电能的转换，一方面提高能源的循环利用率，同时使用非污染能源，使能源利用更加绿色环保，具有良好的综合效益。
发明内容
为了充分利用食品加热时的剩余热量能源及促进半导体温差发电的应用，本发明设计了一种利用食品加热器具余热发电并存储和利用电能的温差发电装置。
本发明在无电池条件下利用食品加热器具内外温度差发电的原理依据是塞贝克效应，发电方式为热电转换方式，通过加热器具内部的热能与电能转换可以在消耗内部热量的同时得到稳定可靠的电能。
本发明的设计方案如下：一种用于食品加热器具的无电池温差发电装置，无需外接电源或安装电池，能够自动吸收加热器具内部余热，产生并存储电能，同时可将电能提供给外部用电设备，供电可靠性强，稳定性高。
本装置所涉及的温差发电及储能供电流程为：
食品加热器具内部余热导致器具内外存在温度差，温差发电片热端吸收器具所释放热量，冷端经过散热器向外界空气放热，产生塞贝克电压；
所产生的塞贝克电压经过平衡模块升压电路得到提升，直至电压升高至最大功率输出电压；
升压电路连接超级电容储能模块，通过对超级电容充电的方式将所产生的电能及时储存；
超级电容储能模块输出端连接平衡模块中稳压电路，稳压电路将超级电容输出电压或升压电路输出电压稳定至用电设备额定电压并将该电压输出。具体运作流程如图2所示。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本专利做进一步详细说明：
图1为该用于食品加热器具的温差发电及储能装置整体结构图；
图2为该温差发电及储能装置的运作流程图；
图3为该温差发电及储能装置的具体实例图，图中标号1和2分别表示为可安装该温差发电装置的锅盖位置和锅柄连接处位置；
图4为该温差发电及储能装置的温差发电片示意图，图中标号所示：1.外界空气；2.散热器；3.温差发电片；4.安装该装置的锅体高温位置。
具体实施方式
本发明公开了一种用于食品加热器具的温差发电装置，介绍了其内部结构，器件布置和发电流程。所述内部结构包括温差发电模块、平衡模块和超级电容储能模块三个主要部分，各模块之间的整体结构如图1所示。可以传统家用非插电炒锅为例，介绍该无电池温差发电装置的具体使用。
该温差发电装置可安装于家用炒锅的锅盖位置或者锅柄连接处位置，具体如图3所示，由于此处温度较高，温差发电片热冷端温差较大，发电效果明显。在选定位置合理安装温差发电片和散热器，注意温差发电片热端通过涂抹导热膏与食品加热器具紧密相贴，发电片冷端和散热器呈上下结构贴合，为塞贝克效应温差发电提供必要的物理条件，具体如图4所示。温差发电片输出端通过导线连接升压电路输入端，在保证安全的条件下实现塞贝克电压的提升和稳定，超级电容通过导线接入升压电路输出端，对温差发电片的所发电能进行存储，同时超级电容两端并联稳压二极管，防止电容过充电。
该温差发电装置通过导热硅胶将食品加热器具的内部余热进行收集，传递至半导体温差发电片的热端，提升该端温度，同时将与散热器接触的冷端热量及时耗散，保证半导体温差发电片的两端温差。温差发电片以塞贝克效应为原理基础，借以减小热端和冷端温差的方式，将热能转化为电能，输出与热冷端温差成正比的塞贝克电压，公示表述如下：
其中VSeebeck为塞贝克电压，T1和T2分别为温差发电片的冷端和热端温度，SSeebeck为材料的塞贝克系数。
该塞贝克电压VSeebeck经过升压电路升高至最大功率输出所需值。超级电容经过导线将输出电压进行收集，之后连接稳压电路将电能稳定输出，可以为外部用电设备提供所需电能。
本发明的有益效果和实际意义是：
该温差发电装置用于日常生活中的食品加热器具，以食品加热器具中的余热为能量来源，将热能转化为电能并储存，避免生活余热的浪费，有助于能源利用的清洁化和高效化，同时该装置利用食品加热时器具上的剩余热量来发电，对环境无污染，成本较低，实现简单且可以对所发电能进行存储并在无需外接电源的条件下接入用电设备，实现能量的高效循环利用，是半导体温差发电在应用领域的实现，对推动温差半导体的发展具有一定的意义。

Claims (4)

1.一种基于食品加热器具的温差发电装置，所述装置主要包括(10)温差发电模块、(20)平衡模块和(30)超级电容储能模块三大模块，其中(20)平衡模块包括(21)升压电路和(22)稳压电路两部分电路，装置模块连接关系为外部加热器具连接(10)温差发电模块产生塞贝克电压，(10)温差发电模块输出端连接(20)平衡模块中(21)升压电路的输入端，将塞贝克电压升高，(21)升压电路输出端为T型三端口，分别连接(30)超级电容储能模块和(22)稳压电路，(30)超级电容储能模块可将所产生的电能存储并通过(22)稳压电路将稳定电能提供给外部用电设备。
2.一种基于食品加热器具的温差发电装置，其特征在于，(10)温差发电模块以半导体温差发电片为核心器件，搭配散热器，利用与食品加热器具相接触的热端和冷端空气之间的温度差，以塞贝克效应为原理基础产生塞贝克电压，但由于所产生电压与热冷端温度差成正比关系，故存在电压不稳定因素，需外接(20)平衡模块。
3.一种基于食品加热器具的温差发电装置，其特征在于，(20)平衡模块为三端口模块，同时连接(10)温差发电模块、(30)超级电容储能模块和用电设备，该模块主要包括(21)升压电路和(22)稳压电路，其中(21)升压电路包含MPPT最大功率点跟踪系统，将(10)温差发电模块所产生塞贝克电压提升至最大功率输出电压，其输出端为T型三端口，可将所产生电能直接传输至(22)稳压电路或通过(30)超级电容储能模块将电能存储，由于(21)升压电路和(30)超级电容储能模块输出电压存在不稳定因素，故需连接(22)稳压电路将波动变化的输出电压及时调整至外接用电设备的额定电压，从而为用电设备提供可靠的电能保障。
4.一种基于食品加热器具的温差发电装置，其特征在于，(30)超级电容储能模块以超级电容为核心器件，其输入端接入经升压后的输出电压，超级电容将(10)温差发电模块所发电能存储，同时其输出端连接(22)稳压电路，为用电设备提供电能，(30)超级电容储能模块中超级电容可另外添加保护电路，主要包含稳压二极管和充电闭锁信号系统，防止电容过充电，为储能电容提供保护。
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