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朱子儒 武汉大学动力与机械学院 武汉 430072
【文章摘要】
随着科学技术的发展和进步，基于温差发电技术日益纯熟，用此项技术来创新发明的产品越来越多。本文介绍的即是基于温差发电的原理在北方窗户安装温差发电片，利用室内外温差进行发电，提供室内照明用电，有效的节省能源。
【关键词】
创新设计；温差发电；LED 灯
0 引言
北方的冬天住宅玻璃的两侧是较为理想的温差发电场所，温差大的地方，有较为理想的热势差，可以发电，温差发电在发达国家的工业十分发达，但是在智能家具和生活化方面由于转化效率不理想，还没有较好应用。我们利用温差发电装置，在不影响人日常生活的地方摆放温差发电装置，发电节能。
1 温差发电的原理
基于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应，焦耳效应和傅里叶效应这五大热电效应的原理，可以把热能转换成电能。通过半导体发电片TEC1-12703 进行温差发电，将P 型和N 型两种不同类型的热电材料连接起来，使两端分别处于高温和低温环境下，并使线路开路。由于热激发作用，高温端的空穴和电子浓度高于低温端，使得空穴和电子固定的从高温端流向低温端，从而在低温开路端形成电动势。
2 温差发电装置的结构
温差发电装置由温差发电片TEC1- 12703 若干组、稳压电路模块、USB 集线模块、、LED 灯若干及导线若干等构成。组成发电部分，控制部分，储电用电部分三个部分。
2.1 发电部分
基于温差发电原理，将P 型与N 型两种不同类型热电材料的一端通过导线连接起来，一端置于高温，一端置于低温并开路，在高温端较强热激发作用下，使得两端空穴和电子浓度不同，在这种载流子浓度梯度驱动下，空穴和电子定向流动，在低温端形成电动势；如果多组热电转换材料组合起来，就可形成足够高的电压， 构成日常可用的温差发电装置。
2.2 控制模块
根据塞贝克原理．半导体发电片两端的温差不稳定．输出电压也会不稳定。又因为控制热源的温度恒定不变很难实现，所以需要在充电系统中加上一个稳压电路。本系统的电路主要采用常见的可调集成稳压器LM317，通过对温差发电装置的输出电压进行稳压处理，使得电流得以稳定，能够产生质量较高的电能，供用电装置使用。
LM317 的输出电压可以由下式算出： U=1.25*（1+R1/R2）+I*R1
其中I 是ADJ 端流出的电流值，R1 是ADJ 端到地的阻值，R2 是ADJ 端到V 的阻值。
通过调整R1 与R2 两电阻的阻值， 就可以得到所需的电压值。同时为保证稳压器的输出性能，R1 应小于240 。
2.3 储电用电模块
我们采用MAXl679 芯片实现锂离子蓄电池充电电路，既保证最大效率的使用锂离子蓄电池，同时也避免了过压充电造成的破坏，并且还能有效控制了过度放电后快充造成的影响。
3 温差发电装置理想化效果
利用室内窗户两侧温差的发电效果的计算：
温差（℃） 20 40 60 80 100
电压（V） 0.97 1.8 2.4 3.6 4.8
电流（mA） 225 368 469 558 669
以北方冬季室内外温差40 摄氏度为例，每个温差发电片每天的发电量为： 1.8×0.368×24×3600=57231.36J
市面上LED 小灯珠的性能参数如下：
电压3.2—3.4 V 电流20 mA
一个灯珠每天消耗的电量为： 0.02×3.2×24×3600=5529.6J
在不考虑损耗、储电和放电效率，若把发电量全部转化为用电量则可以供30 个灯珠每天八小时不间断照明。
4 装置科学性
现有温差发电技术主要应用在工业余热、汽车废热、太阳能作为热源等低品位热源利用的温差发电。其中大部分都是工业上的应用虽然可以利用大部分的低品位热能，但是毕竟应用范围有限，而且不够普及，对于深化节能减排还不够理想。我们的项目可以使温差发电技术应用与大众百姓之中，所有北方的居民楼或者其他各种建筑，都可以使用该温差发电技术。在LED 技术比较普及的今天，该项目结合LED 照明设备，可以很大的节约能公共照明的能源。
5 总结
该装置使用了温差发电技术、LED 照明技术等。具有节能减排技术的特点，该产品原理简单，作品实用性强，具有推广的价值。全球亚寒带、寒带地区具有很大的利用价值，室内外的温差转化的电能汇总起来将会十分可观。基本可以解决这些的地区的夜间室内照明问题，创造了巨大的效益。考虑到节能减排的经济性问题，该项目目前的推广可能具有一定的难度。但是在日后，各项技术越来越成熟、设备造价越来越低廉、现有设施陈旧以后还是具有较大推广价值的。
【参考文献】
[1] 吴郅俊, 廖承菌, 廖华, 杨培志, 张跃. 半导体温差发电器件应用探讨倡 2012.9
[2] 杨世铭, 陶文铨. 传热学 2011.12
[3] 沈维道, 童均耕. 工程热力学 2010
[4] 林玉兰, 吕迎阳, 粱广, 陈忠基. 基于半导体温差发电模块的锂电池充电装置 2005.4.11
【作者简介】
朱子儒，男，1994 年11 月出生，湖北咸宁人，汉族，武汉大学动力与机械学院本科在读，研究方向：能源动力系统及其自动化012
