一种新型多功能杯的设计与实现

一种新型多功能杯的设计与实现
文章通过对温差发电技术的研究，设计了一种新型的温差发电水杯。

通过实施多层式的结构设计，达到了自身发电，环保节能，智能防烫的功能。

标签：温差发电；多功能水杯；智能防烫音乐杯；发光杯
节能是我国可持续发展的一项长远发展战略，是我国的基本国策[1]。

狭义的讲，节能是指尽可能的减少能源消耗，节约煤炭、石油、电力、天然气等能源。

据统计，人类在日常生活和工业、农业生产过程中所利用的热能有50%会以余热/废热的形式直接排放掉[2]，这从节能减排角度讲是极大的浪费。

利用温差来发电，就是一种能源再利用的极好方法，因为其应用不需要使用传动部件，工作时静音、无排弃物，对环境没有污染，且相关材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保节能材料。

基于这些优点，自1980年以来，一批火炉温差发电器、汽车尾气温差发电器相继被开发出来。

但目前市场上利用热水杯内热能发电的杯子普及率还比较低，并且由于水的比热很大（4.2*103J/（kg*℃）），任由热量白白散发是一定的损失。

本项目旨在制造组装一个环保发电发光发声防烫杯，利用热水杯中的内能发电转化成电能，以供给功能模块使用。

1 产品设计思路
该产品多功能在于有以下几个功能：（1）智能防烫，利用灯光警示。

灯亮时预示着人体不能接受的温度，灯灭时则可以喝。

（2）音乐伴随，在品茶过程中，享受音乐的美妙。

同时，音乐也起到了防烫预警的作用，音乐响起时不能喝，音乐停时可以喝。

2 多功能杯设计原理分析
2.1 物理思想
两种不同电导体或半导体的两端存在温度差异时将会在这两种物质间产生电压差，此即赛贝克效应。

理论和实验研究[3，4]表明，这种发电效率为1%～10%，虽然效率偏低，但经过我们的大量实验数据证明足以保证我们的功能模块的用电。

2.2 实验原理和方法
利用半导体的赛贝克效应，我们在保温杯内层底部加装半导体温差发电片，在加入热水后，利用热水作为热端，杯底接触物作为冷端进行发电，一部分供给杯体美化照明，一部分供给外部设备发声。

3 新型多功能杯的模块及测试
3.1 组成设计
新型多功能杯分为三个模块：杯体模块、发电模块、功能模块。

杯体模块：杯身采用不锈钢材料，同时选用杯子底部是平面的，以便于使热源与动力模块的元件更好的接触。

大大增加热传导速率，同时也减少传导过程中的能量损耗。

发电模块的元件有：温差发电片、升压片，将温差发电片通过串联的方式组合在一起，然后将其贴在杯子底部，温差发电片的下面贴上经过处理的铝片。

接触处用导热硅胶涂抹均匀。

再把温差发电片输出的电传给功能模块。

功能模块元件有：LED发光灯、小型音乐片等。

3.2 实验数据
我们采用型号为sp1848-27145的温差发电片，在室温为17℃的环境中，采用串联的链接方法，去寻找最合适的发电片组合。

对此我们测量了2～4片发电片发电功率与时间的关系，给定初始温差为80℃，得到如图1所示的P-T图。

从图1中可以看出，在最初的20分钟内，2片串联的功率明显高于3片和4片串联，这是因为发电片数量少，导热快，故发电功率更高。

但随着20分钟以后，2片串联的发电功率下降的非常快，而3片与4片的发电功率稳定性较好，且4片的发电功率仅略高于3片，这是因为虽然多了一个发电片，但使得热传导速率变慢。

从制作成本及实验效果来看，选三片串联比较经济实惠。

对3片组合继续试验，发现水温在35℃时，音乐片停止工作，此时水温适宜饮用，故在音乐片发声时，要小心烫伤。

进一步测试表明，此组合能提供LED小灯一个小时的发光。

4 结束语
利用塞贝克效应，在水杯底部装发电片，可提供普通LED小发光灯及小型音乐片正常工作所需的电能。

实验数据表明，3片串联的发电片组合，具有最高性价比。

参考文献
[1]郭耀煌，王爱军，郭强.略论我国的可持续发展战略[J].软科学，1998，4.
[2]Huang T.C.Wasteheat recovery of Organic Rankine Cycleusing dryfluids[J].Ener Conversion and Management，2001，42（5）：539-553.
[3]张鹏，曾狄根，黄学章.半导体温差发电在工业余热利用中的可行性分析[J].广西轻工业，2009，12：27-28.
[4]赵建云，朱冬生.温差发电技术的研究进展及现状[J].电源技术，2010，3：310-313.。