CN114759648B - 一种可利用温差进行发电的充电器 - Google Patents

一种可利用温差进行发电的充电器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可利用温差进行发电的充电器，具体涉及温差发电领域，包括有：单片机模块、温差发电模块、温度传感器、升压模块、充电模块，所述单片机模块使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，包括Arduino Uno R3开发板模块；所述温差发电模块基于塞贝克效应，利用温差进行发电，包括半导体制冷片、散热片、热缩管、合金热电材料；温度传感器用于监测温差发电模块冷端和热端的温度；所述升压模块连接于温差发电机，将低电压升压至稳定高电压；所述充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电。本发明充电器，只需要热源、冷源、导线就可以发电，重量很轻也易于维护。

Description

一种可利用温差进行发电的充电器
技术领域
本发明涉及温差发电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种可利用温差进行发电的充电器。
背景技术
德国物理学家塞贝克在研究温差发电技术的过程中总结出了如下的结论：当两种不同的导体组建成回路时，这一回路将存在两个节点，如果节点所处的温度不相同，那么这一回路中必然会存在电动势，这一发现被命名为塞贝克效应，维持物体两端的温差，就能使载流子持续扩散，从而形成稳定的电压，这便是温差发电的原理。
温差发电的效率，取决于热电材料的三个重要的能力：材料在有温度差的情况下产生电动势的能力——由塞贝克系数表示，塞贝克系数越高，相同的温差下产生的电动势就越高；材料导电的能力——由电导率表示，电导率越高，电子在材料内部就可以越容易地扩散；材料导热的能力——由热导率表示，热导率越高，热量就可以更快速地从热端传递到冷端。
热电优值系数ZT，是这三个参数的集合：塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低，ZT值就越高，材料进行温差发电的效率也就越高。
一支由奥地利维也纳工业大学Ernst Bauer教授领衔的研究团队，实现了温差发电材料的关键性能指标——热电优值系数（ZT值）的翻倍。ZT值的跨越式提升，意味着温差发电的效率将有望和一些传统发电技术的效率一较高下，在发电、制冷、供暖、医疗、可穿戴设备等许多领域，都有着显而易见的广阔的应用前景。
目前电子产品的普及率越来越高，电子产品的使用离不开充电器的，但是当人们外出时，特别是在野外旅游、露营或者工作时，充电很不方便，严重影响使用体验。专利申请号为CN201911301494.6提供了一种温差发电充电器，但是体积大，充电效率低，不适合推广使用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种可利用温差进行发电的充电器，通过将温差发电机与充电器连接，并且使用一种热电优值系数高的材料温差发电的效率，随时随地可以为电子产品充电，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可利用温差进行发电的充电器，包括单片机模块、温差发电模块、温度传感器模块、升压模块、充电模块，所述单片机模块使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，包括Arduino Uno R3开发板模块；所述温差发电模块基于塞贝克效应，利用温差进行发电，包括半导体制冷片、散热片、热缩管、合金热电材料；温度传感器模块用于监测温差发电模块冷端和热端的温度；所述升压模块连接于温差发电机，将低电压升压至稳定高电压；所述充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电。
在一个优选地实施方式中，所述Arduino Uno R3开发板模块，供电方式如下：（1）USB接口供电，电压：5V；（2）接入DC电源，电压范围：7～12V；（3）电源接口处供电电压：5V；VIN端口供电电压：7～12V,Arduino Uno R3在调试软件的时候能直接插USB进行烧写供电，其自带模数转换单元将模拟信号转为数字信号。
在一个优选地实施方式中，所述温差发电模块，利用多个串联或并联的温差发电片在一定温差情况下产生低电压，采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上铝片与下铝片之间，将至少两片温差感应发电芯片的冷面分别粘贴在中空式散热器对称的两侧面上，使温差感应发电芯片的热面处于最外侧面，将所有的温差感应发电芯片采用串联或并联的方式进行连接，温差发电片的片数为2～200片，并且为偶数片。
在一个优选地实施方式中，所述半导体制冷片采用一种合金材料，具体为用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，ZT值在5-6之间。
在一个优选地实施方式中，所述温度传感器模块包括两个温度传感器，分别是：①LM35温度传感器，用于测量冷端温度，阻抗是0.19；电压为4~30V；②DS18B20数字温度传感器，用于测量热端温度，基于单总线设计，温度转换时的延时时间为750ms。
在一个优选地实施方式中，所述升压模块，将低电压升压至稳定高电压，与MC34063芯片中的控制模块相连，通过DC/DC变换器，通过杜邦线与Arduino Uno R3开发板连接，在R3和R4之间加两个跳帽，通过改变跳帽改变阻值进行调试。
本发明的技术效果和优点：
1、该种利用温差进行发电的充电器，成本很低，只需要热源、冷源、导线就可以发电，因此重量也很轻，没有运动部件，这使得这种设备没有噪音，也易于维护；
2、该种利用温差进行发电的充电器，体积小，方便携带可用性强；
3、该种利用温差进行发电的充电器，通过植入芯片可以对温度、电压、电流进行控制，有利于实际使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的Arduino Uno R3原理图。
图3为本发明的温差发电原理图。
图4为本发明的升压电路模块原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种可利用温差进行发电的充电器，主要包括有：单片机模块、温差发电模块、温度传感器模块、升压模块、充电模块，本发明的整体结构示意图见图1，所述单片机模块使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，包括Arduino Uno R3开发板模块；所述温差发电模块基于塞贝克效应，利用温差进行发电，包括半导体制冷片、散热片、热缩管、合金热电材料；温度传感器模块用于监测温差发电模块冷端和热端的温度；所述升压模块连接于温差发电机，将低电压升压至稳定高电压；所述充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电。
101单片机模块，使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，控制温度、电压、电量，包括Arduino Uno R3开发板模块，用于控制电压的稳定输出，避免因为电压不稳定和电压过高损坏电路。所述Arduino Uno R3开发板模块，供电方式如下：（1）USB接口供电，电压：5V；（2）接入DC电源，电压范围：7～12V；（3）电源接口处供电电压：5V；VIN端口供电电压：7～12V,Arduino Uno R3原理图见图2，Arduino Uno R3在调试软件的时候能直接插USB进行烧写供电，其自带模数转换单元将模拟信号转为数字信号。
102温差发电模块，利用多个串联或并联的温差发电片在一定温差情况下产生低电压，原理具体见图3，采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上铝片与下铝片之间，将至少两片温差感应发电芯片的冷面分别粘贴在中空式散热器对称的两侧面上，使温差感应发电芯片的热面处于最外侧面，将所有的温差感应发电芯片采用串联或并联的方式进行连接。上述温差发电片的片数为2～200片，并且为偶数片。所述半导体制冷片采用一种合金材料，具体为用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，ZT值在5-6之间。
温差发电原理：塞贝克效应，英文名称为Seebeck effect，是由于温度差异而产生的热电现象。电流的出现方法可以简要概括为：温度不同的两个金属点相连，组成回路，利用这种方式产生的电流叫做热电流。金属的电子逸出功和有效电子密度决定了接触电势差，而接触电势差的产生源于两种不同的金属的互相接触，这就是塞贝克效应的实质。不同种类的金属导体接触时，由于其自由电子密度有差异，电子扩散就会发生在两种金属的接触面上。电子密度和电子的扩散速率有关并和接触区域的温度成正比。因此，温差电池就是利用温度差异使热能直接转化为电能的装置。
103温度传感器模块包括两个温度传感器，分别是：①LM35温度传感器，用于测量冷端温度，阻抗是0.19；电压为4~30V；②DS18B20数字温度传感器，用于测量热端温度，基于单总线设计，温度转换时的延时时间为750ms。
104升压模块，升压电路模块原理图见图4，将低电压升压至稳定高电压，与MC34063芯片中的控制模块相连，通过DC/DC变换器，通过杜邦线与Arduino Uno R3开发板连接，在R3和R4之间加两个跳帽，通过改变跳帽改变阻值进行调试。
105充电模块，充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电。
实施例2
本发明提供一种可利用温差进行发电的充电器，主要包括有：单片机模块、温差发电模块、温度传感器模块、升压模块、充电模块、显示模块，所述单片机模块使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，包括Arduino Uno R3开发板模块；所述温差发电模块基于塞贝克效应，利用温差进行发电，包括半导体制冷片、散热片、热缩管、合金热电材料；温度传感器模块用于监测温差发电模块冷端和热端的温度；所述升压模块连接于温差发电机，将低电压升压至稳定高电压；所述充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电；所述显示模块LCD12864显示屏，显示充电器的温度、电压、电流。
101单片机模块，使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，控制温度、电压、电量，包括Arduino Uno R3开发板模块，用于控制电压的稳定输出，避免因为电压不稳定和电压过高损坏电路。所述Arduino Uno R3开发板模块，供电方式如下：电源接口处供电电压：5V；VIN端口供电电压：7～12V,Arduino Uno R3在调试软件的时候能直接插USB进行烧写供电，其自带模数转换单元将模拟信号转为数字信号。
102温差发电模块，利用多个串联或并联的温差发电片在一定温差情况下产生低电压，具体见图3，采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上铝片与下铝片之间，将至少两片温差感应发电芯片的冷面分别粘贴在中空式散热器对称的两侧面上，使温差感应发电芯片的热面处于最外侧面，将所有的温差感应发电芯片采用串联或并联的方式进行连接。上述温差发电片的片数为2～150片，并且为偶数片。所述半导体制冷片采用一种合金材料，具体为用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，ZT值在3-4之间。
103温度传感器模块包括两个温度传感器，分别是：①LM35温度传感器，用于测量冷端温度，阻抗是0.26；电压为4~30V；②DS18B20数字温度传感器，用于测量热端温度，基于单总线设计，温度转换时的延时时间为750ms。
104升压模块，升压电路模块原理图见图4，将低电压升压至稳定高电压，与MC34063芯片中的控制模块相连，通过DC/DC变换器，通过杜邦线与Arduino Uno R3开发板连接，在R3和R4之间加两个跳帽，通过改变跳帽改变阻值进行调试。
105充电模块，充电模块为输出端与单片机相连，直接与USP插口连接，用于给电子产品充电。
106显示模块，是一种液晶显示器，可以显示图像、汉字、AASCII码，并且带有字库，其电气特性如下：LCM工作电压最大可以达到8V，但是通常情况下是3V；BLU电流一般是60mA，最大可以达到60mA；液晶电流通常情况下是1.0mA；它的液晶电压有三种不同情况下的分类，但是正常情况是11.0V；电源4.75V～5.25V之间。
实施例3
本发明提供一种可利用温差进行发电的充电器，主要包括有：单片机模块、温差发电模块、温度传感器模块、升压模块、充电模块、显示模块，所述单片机模块使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，包括Arduino Uno R3开发板模块；所述温差发电模块基于塞贝克效应，利用温差进行发电，包括半导体制冷片、散热片、热缩管、合金热电材料；温度传感器模块用于监测温差发电模块冷端和热端的温度；所述升压模块连接于温差发电机，将低电压升压至稳定高电压；所述充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电；所述显示模块LCD12864显示屏，显示充电器的温度、电压、电流。
101单片机模块，使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，控制温度、电压、电量，包括Arduino Uno R3开发板模块，用于控制电压的稳定输出，避免因为电压不稳定和电压过高损坏电路。所述Arduino Uno R3开发板模块，供电方式如下：USB接口供电，电压：5V；Arduino Uno R3原理图见图2，Arduino Uno R3相对来说有比较完整的模块，在调试软件的时候能直接插USB进行烧写供电，其自带模数转换单元将模拟信号转为数字信号。
102温差发电模块，利用多个串联或并联的温差发电片在一定温差情况下产生低电压，具体见图3，采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上铝片与下铝片之间，将至少两片温差感应发电芯片的冷面分别粘贴在中空式散热器对称的两侧面上，使温差感应发电芯片的热面处于最外侧面，将所有的温差感应发电芯片采用串联或并联的方式进行连接。上述温差发电片的片数为2～150片，并且为偶数片。所述半导体制冷片采用一种合金材料，具体为用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，ZT值在3-4之间。
103温度传感器模块包括两个温度传感器，分别是：①LM35温度传感器，用于测量冷端温度，阻抗是0.26；电压为4~30V；②DS18B20数字温度传感器，用于测量热端温度，基于单总线设计，测量温度范围相对较宽，供电方式灵活，不需要外接电源温度转换时的延时时间为750ms。
104升压模块，升压电路模块原理图见图4，将低电压升压至稳定高电压，与MC34063芯片中的控制模块相连，通过DC/DC变换器，通过杜邦线与Arduino Uno R3开发板连接，在R3和R4之间加两个跳帽，通过改变跳帽改变阻值进行调试。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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)

1.一种可利用温差进行发电的充电器，其特征在于：包括单片机模块、温差发电模块、温度传感器、升压模块、充电模块，所述单片机模块使用MC34063芯片，用于对整个发电充电系统进行控制，包括Arduino Uno R3开发板模块；所述温差发电模块基于塞贝克效应，利用温差进行发电，包括半导体制冷片、散热片、热缩管、合金热电材料；温度传感器用于监测温差发电模块冷端和热端的温度；所述升压模块连接于温差发电机，将低电压升压至稳定高电压；所述充电模块的输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电；所述充电模块为输出端与单片机相连，直接与USB插口连接，用于给电子产品充电；所述升压模块，将低电压升压至稳定高电压，与MC34063芯片中的控制模块相连，通过DC/DC变换器，通过杜邦线与Arduino Uno R3开发板连接，在R3和R4之间加两个跳帽，通过改变跳帽改变阻值进行调试，所述半导体制冷片采用一种合金材料，具体为用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，ZT值在5-6之间；所述Arduino Uno R3开发板模块，供电方式如下：（1）USB接口供电，电压：5V；（2）接入DC电源，电压范围：7～12V；（3）电源接口处供电电压：5V；VIN端口供电电压：7～12V，Arduino Uno R3在调试软件的时候能直接插USB进行烧写供电，其自带模数转换单元将模拟信号转为数字信号；所述温差发电模块，利用多个串联或并联的温差发电片在一定温差情况下产生低电压，采用N型半导体元件和P型半导体元件作为温差感应发电元件，将N型半导体元件和P型半导体元件按矩阵排列的方式排列在上铝片与下铝片之间，将至少两片温差发电片的冷面分别粘贴在中空式散热器对称的两侧面上，使温差发电片的热面处于最外侧面，将所有的温差发电片采用串联或并联的方式进行连接；上述温差发电片的片数为2～200片，并且为偶数片；温度传感器模块包括两个温度传感器，分别是：①LM35温度传感器，用于测量冷端温度；电压为4~30V；②DS18B20数字温度传感器，用于测量热端温度，基于单总线设计，温度转换时的延时时间为750ms。
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