0832温差与太阳能一体化发电新型节能窗框-说明书

1、温差与能发电新型节能窗框设计说明书指导教师：设 计 者：能源电气电气秦 昇 计算机科学与技术学院（浙江省杭州市西湖区浙江大学玉泉校区 26 舍 310013）作品内容简介我国北方地区冬季采用热电厂供热的方式对居民住宅进行管道蒸汽供暖，因为供暖方式较为稳定且管道内蒸汽温度无法调节，有时会出现室内温度过高的情况，甚至需要开窗“通风”，从而造成了能源的极大浪费。本产品着眼于利用这一部分空气温差能，加入安装在窗框结构的温差发电元件，直接由室内外空气温差提供元件发电所需的温差能，从而转化为低电压的电能。同时结合向阳面窗户接受太阳辐射特性，加入能滴胶板辅助供电，以提高装置本身输出功率及整体效率。综上，的产

2、品是集成温差、联系人：能发电双模块：的新型节能窗框。/629445：3120104397zju edu1 研究背景及意义1.1 研究背景我国北方冬季采用集中供暖方式，所谓集中供暖方式，即是以管路的形式将集中的热源的能量传递给用户。虽然集中供暖投资较大且运行费用较高，但对北方地区来说，天气比较寒冷，需要供暖时间长，应该采取集中供暖相对更经济。但从能源利用方面看，无论用户是否需要，暖气始终全天供热，因楼层不同而造成温度不均，若遇到供暖偏热，居民只有开窗降温使宝贵的能源白白浪费1.2 基本原理就以上问题组内成员展开了，如何将这部分能量利用起来，发现东北地区冬季室外温度相对较低，一般在较长的一段时间内

3、日平均温度都可达零下 10-25 摄氏度，而此时室内的温度由于全天供暖基本可以维持在 24-26 摄氏度范围内，这样在这段时间内可以采用温差发电的方式，直接利用室内与室外的空气温度使半导体温差发电片两个接触面处于两种不同的温度环境中。图 1 温差发电原理简图1如图 1 所示，据半导体的赛效应，当 P 型半导体与 N 型半导体分别接触冷热源且另一端相连时，一个 PN 结就可以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转换成电能，将很多个这样的 PN 结串联起来，就到足够高的电压1.3 半导体温差发电的国内外研究进展及应用1.3.1 国外研究进展自 1821 年 Seebeck 发现赛效应以来，国

4、外研究机构对温差发电进行了大量的研究，1947 年，第一台温差发电器问世，效率仅为 1.5%1。2003 年 11 月能源部宣布资助太平洋西北国家、密西根技术大学等，重点支持他们在高性能热电材料和应用技术方面的研究，特别是工业余热废热的利用2。1963 年Neild 制造出世界上第一部汽车热电发电装置 (ATEG，An automotive thermoelectric generator)；21 世纪初，森大学与通用汽车合作研发的汽车尾气余热发电系统使用 20 组 HZ-20 温差电组件，使得最大温差达到174，最大输出功率达到 255 W。2006 年，当时的网路安全服务部门（BSST）的

5、科学家和 BMW 联合宣布，的汽车温差发电器将于 2013 年投入使用。以上是几十国外在温差发电方面所取得的研究进展，这一技术在未来势必将有更好的应用前景，但如何平衡高效温差电材料与高昂成本间的关系同样需要研究进行思考8。1.3.2 国内研究进展国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，且主要集中在理论和热电材料的等方面课题组从 20 世纪 80 年厦门大学的始对温差发电器的基础理论进行研究，对温差发电器的性能进行优化分析，并得到了很多有意义的成果3。2004 年，提出了低温及大温差工况下热对输出功率的影响不可忽略的观点。华技大学的对温差发电器件的计算机辅助设计进行了改进，建立温差发电器优化设计模

6、型，同时以 VB6.0(差发电器设计Visual Basic 6.0)语言作为开发工具，ActiveX 数据对象数据库，编写了温等在 2006 年提出从火用参数角度对低温差下半导体。同济大学的工作效率9进行衡量。而在军事应用方面，理工大学的刚现东则通过理论分析和实验研究相结合，通过模拟排气筒附近区域制冷状况，由降况评估红外隐身效果，得出以尾气余热为热源将温差电技术应用于红外隐身完全可行的结论10。1.3.3 半导体温差发电在节能领域的应用目前半导体温差发电主要应用在家用废热回收、汽车废热回收、海洋温差能利用等领域。瑞典炉壳曾研制了一种温差发电装置为家用照明或风扇系统供电。除此之外，尝试在的燃烧

7、室与循环水通道间加装温差热电片，也可以其能够实现电力自给。由于传统方式的温差发电的最高效率也5%4,这意味着有 95%的能量都作为低效能源没有得到有效利用。在之后的温差热电系统，该系统同时考虑了供电与供热，在天然气为主要能源的地区有很好的应用前景。但以上研究也存在一定局限性：一是所利用的废热热源相对单一，限制了温差热电装置的应用领域；二是产出能源类型单一，发电效率较低，性价比较低在汽车废热回收领域，温差发电也是有一定市场。根据对现有车用发的技术评估，燃油所产生的能量大约有 60%都没有得到有效地利用。如果汽车尾气带走的热量有约 6%被转化为电能，相应的油耗可以降低 10%左右5。22 产品设计

8、2.1 电路设计本设计电能供应源于温差发电片输出与能电池板输出，将两输出分别经升压模块升至 5V 后并联，共同驱动负载。负载部分加入三档开关旋钮，可根据用户需要选择输出电能驱动风扇或给蓄电池充电或处于关闭状态。电路总体如下图 2 所示。图 2电路总体设计图2.2 发电模块2.1.2 温差发电模块本模块应用了赛（Seebeck）效应，也称第一热电效应，即不同金属或半导体在组成闭合回路且存在温差时会发生电子扩散，从而形成电压差。考虑到使用环境温度及成本生产规模等问题，本设计选用采用碲化铋半导体材料的温差发电片，型号 SP1848-27145 SA 作为发电装置，尺寸规格为 40mmx40mmx3.

9、4mm，原理如图 3 所示。上下两极板间多个 N 型和 P 型半导体并联，温度差异导致载流子可在上下两极板间形成电压差。实验测得四十度温差下，发电片输出电压约为 0.7V，输出功率约为 0.3W6。产品具体热电参数见下表1。图 3SP1848 原理图2.1.2能发电模块能电池板主要应用光电效应，使光生空穴-电子对在 PN 结内建电场作用下移动，从而形成电流，这一技术目前较为成熟。本设计所选用的能滴胶板板尺寸规格为110mmx80mmx3mm，额定输出电压为 5V，额定电流 160mA。表 1温差发电片热电参数热电参数参考值温差电动势()热导率()电导率()优值()190 151610 3 (

10、)8501250 1 12.53.010 3 2.3 升压模块温差发电片与能电池板输出的电压均较小，无法按设想实现驱动负载功能，故加入HXN-xh 进行升压，电路如下图 4 所示升压模块。本设计所选用升压模块主要运用7，其实际可工作输入电压范围为 0.7V-5V，输出电压范围为 4.8V-5V。将别经升压模块升压后并联，从而为后续电路正常工作供电。元件尺寸输出电压分17.55mmx25.22mmx5.85mm。图 4 升压模块电路图3 理论设计计算3.1 半导体温差发电元件4半导体温差发电片型号：SP1848-27145。尺寸（mm）：40 x40 x3.8工作环境：热端为室温=26，冷端为室

11、外气温=-15，故取工作温差40根据其理论设计参数，当温差=40时，开路电压01=1.8V，短路电流01=368mA。单片理论功率01=0.662w。器件实物图见图 5。3.2能滴胶板尺寸（mm） 110 x80 x3，正常日光光照下，能滴胶板处于额定工作情况，开路电压02=5V，短路电流0 =160mA，单片理论功率0 =0.80w。器件实物图见图7。3.3 升压模块原理图见上，当输入电压=0.75-5.00V，升压模块输出电压=5.00V。器件实物图见图 6。图 5 SP1848 半导体发电片图 6 升压模块（USB 输出）图 7能滴胶板3.4 产品理论输出窗框结构内嵌 40 片半导体温差

12、发电片，窗框外侧贴 40 片能滴胶板。忽略升压模块及控制电路损失，在产品负载输出端，理论输出电压0=5V，理论输出电流0=7.70A，理论输出功率0=38.38w。3.5 产品理论消耗本产品无电能消耗，安装消耗较难计算。元件成本：1）半导体温差发电元件：2.5 元/片2）能滴胶板：1 元/片升压模块：0.5 元/片开关、控制电路等器件：5 元制造成本：约 30 元 共计：（2.5+1+0.5）x40+5+30=195 元 200 元，制造一组产品成本按 200 元计算。3.6 投资回收期5北方地区冬季按每年 11 月至次年 2 月计算，共 4 个月。每月中寒冷天气按 20 天计算，每天中室外温

13、度较低时段按 7：00pm-次日 7:00am，共 12 小时计算。故产品年工作时间=4x20 x12=960h年理论发电量=0=36.8 ，平均市场电价=0.55 元/度，年电费节省=20.2 元。不考虑产品值意义并不显著）。等问题，产品投资回收期约为 10 年（若考虑本产品环境效益，此计算4 工作原理及性能分析4.1 温差发电片实际温度热端：直接与空气接触，可视为其表面温度与室内空气温度相等。冷端：采用翅片散热，翅片为矩形截面直肋，肋片如下图 8。实际使用肋片尺寸 40mm x 40mm x 13mm。肋高 H=10mm，肋片厚=1.5mm，肋片宽 d=3mm。长 8 根，宽 11 根，共

14、计 88 根肋片。计算过程： = + 2=10+1.5/2=10.75mm假设肋面的表面传热系数 h=120 (2 )，铝合金导热系数 =150 ( )图 8 矩形截面直肋片2=32.66 1，m=0.35，查双曲函数表 th（m）=0.3356（） = =0.959=1.204x10 32，=8.514x10 32 + 0 = + =0.964假设温差发电片冷侧温度即散热片肋壁温度，且与室外空气误差 1单片换热量 = 00(0 )=1.124w，即换热量小于此值时，温差发电片冷侧温度与6室外空气温度误差 1。4.2 温差发电片实际输出将一片 SP1848 发电片连接入电路，在模拟温差40环境

15、下，接入升压模块及后续电路，输出端接一盏 USB 接口 LED 灯。发电片输出电压即升压模块输入电压与温差关系如图 9 所示，负载端输出功率如图 10。图 9 升压模块输入电压与温差发电片两端温度关系从上图可以看出，温差发电片的输出电压与温度基本成线性关系，随着温度不断降低输出电压逐渐降低。在输出端接负载后，且 40温差环境下，温差发电输出电压仅其理论开路电压的 25%左右。图 10 负载输出功率与温差发电片两端温度关系7从图 9 可以看出，40温差下，LED 灯功率仅 0.03W 左右，即温差发电片理论输出功率的 5%，其中包含电路其他部分的功率损失及由于电流测量准确度等的影响，目前窗输出端

16、功率可以达到框模拟实验仍处于调试阶段，正在尝试减小各种影响的损失，理论输出功率的 50%左右。实际模拟实验电路图 11 如下。图 11 实际模拟实验电路图4.3 产品模型本产品模型展示时，可以实现利用模拟温差环境以及自然光为 LED 灯供电以及移动电源充电双模式切换。实物主体为钢结构窗框模型，内嵌温差发电及电路主体，窗框外侧贴覆能滴胶板以辅助供电，实际输出功率可达理论功率的 38.9%。5 创新性及应用前景5.1 产品创新点1）温差发电主要是对北方冬季管道蒸汽供暖造成的部分区域室温过高，能源浪费情况 进行改善，对这一部分温差加以利用并转化为电能。目前温差发电应用领域以锅炉管道温差、海洋温差、汽

17、车废气温差等为主，只有极少数应用于家庭室内场所，可以说本设计所选角度 现有产品基本为零。2）本设计在温差发电基础上又加入了能电池板辅助供电，从而在对能进行更全面利用的同时提高电路总输出功率，使得装置得以驱动更大的负载。3）本设计创造性地将发电装置与窗框结构结合，制成新型节能窗框，不仅极大地降低了装置所占用空间，提高装置使用效率，同时也为现代房屋装修设计提供了新的思路。4）在物理结构设计方面，对温差发电片的放置位置进行了设计，并在窗框内嵌入了散热片，通过将温差发电片热端直接与室内空气接触，冷端加装散热片以确保温差发电片两侧的温度与环境温度基本一致，从而有更大的功率输出。85.2 应用前景据资料显

18、示，东北三省共计家庭数约 3700 万户11，在此请允许我做一个大胆的假设假设东北三省 10%的家庭安装的产品，每户按 3 个窗体计，年节省电量可达2*108kwh 的电量，实为节能之举。发电煤耗按 300g/kwh 计，可节煤 6 万吨。目前 Bi2Te3 基温差电材料最大效率不大于 10%12，而且由于工作环境、系统损耗等因素，实际热电转化效率远低于理论值。不过相信，随着科技水平的提高，一定会发现优值更高即热电性能更好的热电转换材料。（换言之，若达到理论最大效率，功率可以达到现有输出的 10 倍）。装置的输出以下是的对于未来产品设计的展望：1）改进窗框结构，装置实用性。改进装置冷端散热效果

19、，使室内外温差进一步增大，从而增加装置可用时间。2）加入能量管理系统，使温差发电、能辅助供电、蓄电池和负载之间智能高效配合。例如当负载功率较大时，自动调整电路拓扑结构，使装置发出的电能直接用于负载上，省去蓄电池充电步骤，提高效率；当没有负载时，电能自动用于蓄电池充电，避免浪费。3）扩大装置规模。因此不仅要将多个温差发电片整合到一起，还要将多个节能窗框结合到一起，设置电能转换枢纽，提高发电总功率，使装置能够适用于场合。虽然目前我们的装置定位于住宅室内家居设计，实际一些大型公共建筑同样可以应用的技术。参考文献1， ROWE D M. 温差电转换及其应用M., 1996，工业:2 MASAHIDE M,MICHIO M,MASARU O. Thermoelectric generatorutilizing automobile engine exhaust gas J.Thermal ScienceandEngineering, 2001 9(2):17-18.3。结构参数与不可逆性对热电发电器性能的影响J.师范学院学报（自然科学版），2006，24(6):13-18。4 Allen D, MaiIon W. Further development of self-ered boilers. The