基于温差发电的海洋能源利用研究

李睿伟 王篮仪

（三亚学院，海南 三亚572022）

在进行某些海上研究的时候，我们需要使用一些耗电的设备，比如海下探测器，深海灯之类的科研工具。当然我们可以使用海面上能使用的能源，譬如太阳能，风能，海水的动能等；可是当我们要下潜进行海下研究的时候，可以用到的能源就很少了，因为在深海中没有阳光，没有风和海浪，我们只能从海面上携带蓄电池一类的储能器带入海下，有时候当我们在携带的储能器体积过大时，会对我们的深海作业产生很严重的影响，同时也降低了科学研究的效率[1]。

海洋温差发电系统就是使用浅水和深水温差以及不同的热源温度，然后再通过热交换器和涡轮机发电。这种系统在我们的现实生活中可能很少会有所接触了解，而目前社会的海洋发电系统里，热源温度一般来源于海平面的温海水，而另外则是水本身在真空室的沸腾所产生的，这两种方法的最终目的都是为了制造蒸汽，并且涡轮机还可以被蒸汽驱动发电[2]。然后发电机产生的蒸汽可以被冷水冷却，最后变成液体，形成一种循环。

海洋的温差能为什么拥有如此巨大的潜力，正是因为它蕴含着及其丰富的资源量。经过了各种计算之后，国际能源署认为海洋温差能源的理论含量大约有10000TWh 之多，是陆地的能源储备含量的1.5 备，同时国际能源署还调查了世界各地的海水分布量及海水温度的分布，并总结调查出了适合开发并设置海洋温差发电设备的海域，仅表层水与深层2000 米处海水的温差就在22 摄氏度左右，甚至以上提到的符合条件的海域就有6500 多万平方千米。

温差发电其实就是一种合理利用余热、太阳能、地热等低品位能源转换成为电能的有效方式，因为温差发电有着结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪音等几方面优点，目前在世界上的研究已经层出不穷，但在我国鲜见相关研究报道，随着温差电材料高效稳定的发展，温差发电的前景将非常明亮。

1 硬件设计

温差发电效应是1821 年由科学家塞贝克所发现的，所以人们称之为贝塞克效应，就是两种不同的金属构成了闭合回路，当两个接头存在了一定的温差时，回路中就会产生一个电流，于是人们根据这一效应，开始研究温差发电技术，这一效应也为以后的温差发电技术奠定了良好的基础。

在我们研究半导体温差发电片之前我们要了解半导体温差发电装置的原理，其实就是根据塞贝克效应里说的，两种不同性质的半导体连接在一起，如果一种半导体非接头端位置接入了一个高温的环境，而另一种半导体的非接头端接入一个低温的环境，这样两个半导体的两端就产生了一个温差，然后就会产生电动势E。

设计所采用的半导体温差发电片，具有一定的耐热性和抗腐蚀性，在比较高的温度里也能够正常的工作，它发电时的转换效率大约为5.7%。因此我们就可以在各种方面去利用这个温差发电系统，比如我们可以使用电暖炉的余热，或者是高热碳灯等一系列可以产生热能的装置来使其发电。或者可以直接带动节能灯，低功耗电视等其它负载电路。这一发电系统也可以用于在户外旅行时的照明篝火，让电力使用的问题不再是问题。

1.1 稳压模块

选用了一个稳压模块，根据塞贝克效应，半导体温差发电装置在工作发电时，半导体两端所产生的电压并不是很稳定，所以我们要使用一个能将其两端的电压稳定下来的装置，选用了DM0706015020DS 型号的电源稳压芯片，这种芯片采用了PCB 散热自然冷却的方式，更有利于我们的安装和使用，使用很长时间也不会产生飘移，适用于很多场合。它的尺寸以及引脚的分布如图1 所示。

1.2 电压电流监控模块

采用STM32F103ZET6 单片机芯片，实际上其就是一种集成电路的芯片，在一块板上的一小片硅被组合成一个功能齐全的微系统。这种芯片采用了最新ARM嵌入式处理器，更是解决了两个系统在传输过程中消耗大的问题。它的CPU 是ARM32 位cortex-m3，最大的工作效率为72MHz。它甚至还有三种低功耗模式:休眠模式、停止模式和待机模式，同时也降低了厂商的生产成本，更是提供了芯片的计算性能，并使用内置闪存存储程序，使其在科学研究领域的实用性更强。

1.3 TFT 液晶显示屏幕

选用TFT 液晶显示屏幕来显示我们所监测的温差发电模块的发电功率。TFT- LCD 是一种薄膜晶体管式液晶显示器，在这个液晶显示器中，每个像素都配置了一个半导体的开关，这样就能让每一个像素都可以直接被点脉冲所控制，因而这种显示器的每一个节点都可以被连续控制并且相互独立，这种设计不仅加快了TFT 显示屏的响应速度,更是可以精确地控制色显,所以TFT 液晶有比一般的显示器更真实的色彩。

图1 DM0706015020DS 引脚图

在这个显示器高应用的年代，有许许多多的显示器加入到了竞争之中，那么为什么偏偏TFT-LCD 液晶显示器就可以从如此之多的平板显示器中脱颖而出，成为新时代平板显示器的主流呢，原因就是因为它是人们的科学技术和思考方式的一次必然抉择。TFT 显示器首先利用了LCD 的优势光源优良，很巧妙的避免了有关液晶显示屏的发光困难问题，同时将内部的发光显示结构拆开，分为了光源和光源控制两个部分。它作为了一种新时代的光源，不管你是从发光的效率，还是从屏幕的色彩，或者是使用寿命上来看，它都已经取得了十分傲人的成绩，同时更是在不断地加深优势。在之后的发展之路上，TFT-LED 显示屏的背光从薄到厚，它的屏幕显示从单色到了采色，从侧面的荧光灯发展到现在的平面荧光灯，每一种进步都可以使这种屏幕更具优势。

2 软件设计

设计用的编程工具是使用Keil 编程软件来编写程序。Keil相比于其他的变成软件，它有着很多的优点。首先它在功能上比其他的软件更全面，它的可读性和可维护性也是对比其他软件有着很大的优势，更方便我们的操作学习，同时Keil 也可以为我们提供一些相对完整的解决方案，比如包括一些宏汇编器，编译器库管理、链接器和一个模拟仿真调试器，有了这些就可以很容易的和集成开发环境相集成，所以当我们我们在应用Keil 去进行编程的时候，需要注意软件要在WIN98、WINXP、WIN2000 等系统中运行，不然将会出现一系列的问题，但即使你使用的是汇编语言而不是C 语言进行编程，你使用Keil 软件编程也能让你的编程效率大大提高，因为它的集成环境更易于人们的使用，并且它对于应用软件仿真的调试也十分的高效。

编程实现当两个性质不同的半导体的两端若有温差，这样的话半导体的两端就会产生电动势，从而生成一个直流电压供电。

3 系统调试

3.1 温差发电模块的调试

在调试温差发电模块之前，首先我们要检查两个储水容器与半导体温差发电片的接触是否良好，它们的密闭性是否良好。随后我们在两个容器中各加入适量的热水和冷水，然后两个容器里各插入一个简易温度计测量当前的温度。然后我们等到温差发电片的两端温度达到了相对稳定的情况下时，使用万用表测出了其模块的输出电压在2.5V 左右，在温差随着时间慢慢变小之后，电压也会随之减小。

3.2 稳压模块的调试

在准备将稳压模块接入电路前，首先应该要熟悉有关电源稳压芯片的性能及各个引脚，然后按照结构示意图将电源稳压芯片的引脚接到温差发电模块电路中，之后再使用万用表去测量整个开路的输出电压。

3.3 电路监控模块的调试

在调试电路电压电流监控模块之前，首先需要掌握主控单元和T 液晶显示屏的引脚以及功能结构，为之后连接各个模块做好准备。之后使用万用表重新检查温差发电模块以及稳压模块的供电是否趋于稳定，为将电路监控模块接入电路做准备。

4 结论

温差发电系统其实就是一种能够将热能直接转化为电能的系统，因为只需要利用温差带来的能量，所以在发电过程中不需要产生化学反应，同时也是一种全固态的能源转换发电系统。如果和其他的发电系统相比的话，它也没有别的发电系统里必备的机械运动部件，所以这种发电系统具有无噪声污染、无环境污染、耐磨损性强、使用寿命长等多种优势，因此在工业余热和废热的处理上被人们广泛的应用。然而随着地球上能源的匮乏和人们对环保意识的注重，特别是对于全球变暖问题，半导体温差技术因为其了色环保的优势受到了人们越来越多的关注。因此该温差发生器具有很好的推广和实用价值。

海洋温差发电技术还是有着很不错的发展前景，海洋温差发电的能源将会成为未来所依靠的最重要的能源之一，同时在海洋能源普及的同时，我们对海洋的了解也会越来越透彻，海洋能源的开发利用既是保障国家能源安全的重要举措，又能充分的显示出一个国家所拥有的可持续发展能力和综合国力。