一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法、系统和装置与流程

本申请涉及太阳能发电领域，特别涉及一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法、系统和装置。

背景技术：

随着面对日益严峻的能源危机与环境压力，人们一方面调整能源结构，加大对新能源的开发利用,即所谓“开源”；另一方面采用新技术、新工艺，不断提高能源的利用率，特别是加强对自然界普遍存在的低品位热源。太阳能温差发电正是一种合理利用低品位热源进行发电的有效形式，开展太阳能温差发电科普教育具有重要的现实意义。科普展品是科普教育的载体，直接决定科普的效果，目前在太阳能温差发电科普领域缺乏温差发电原理科普类展品，科普展示功能单一、静态展示。

现有科普展品多为科普温差发电应用场景，缺乏系统化的太阳能温差技术原理科普，现有科普展品主要从温差应用的场景从发，帮助青少年了解太阳能温差发电的应用情况，主要的展品为屋顶太阳能温差模型、汽车尾气温差发电模型、发电机余热温差模型等，这类展品设计方案为采用静态温差模型、应用场景模型组件构成，系统为静态展示，展示功能单一，只能宏观展现温差发电的应用情况。鉴于此，需要设计一种太阳能温差发电科普演示方法及系统，帮助社会大众、特别是广大青少年学习掌握太阳能温差发电基本原理，培养青少年探索太阳能温差新能源兴趣，树立全社会节约能源意识。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法、系统和装置，解决了现有的模型展示功能单一，静态无明显效果且无法细致地描述发电过程的微观变化。

为解决上述技术问题，本申请提供一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法，技术方案如下：

接收到分别放置于冷端和热端的温度传感器传送的温度数据后，控制器根据温度差调节模拟光源的亮度，并控制制冷组件调节冷端温度；

接收到温差发电组件根据所述温度差产生的电流后，生成所述温度差对应的电流数据，并将所述温度差和所述电流数据呈现在电子屏上；

在升压电路对所述电流升压时，控制储能电感和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向；

在储能电池的充、放电过程中，控制所述led灯带进行对应的上升点亮、下降点亮。

其中，所述方法还包括：

改变可移动导轨和所述可移动导轨上的可滑动光源的位置，以模拟太阳光。

其中，生成所述温度差对应的电流数据，并将所述温度差和所述电流数据呈现在触摸屏上包括：

生成所述温度差对应的温差发电电压值、电流值和功率参数；

将所述温度差、所述温差发电电压值、所述电流值和所述功率参数以数值表格和动态曲线的形式呈现在触摸屏上。

其中，控制储能电感和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向包括：

当pwm波占空比发生变化时，利用led驱动控制led灯带产生相应的亮度变化；

调节循环逻辑位移的方向实现储能电感和升压电路中的led灯带的流动闪烁方向的控制。

本申请还提供一种应用于科普演示的太阳能温差发电的系统，包括：

温控模块，用于接收到分别放置于冷端和热端的温度传感器传送的温度数据后，控制器根据温度差调节模拟光源的亮度，并控制制冷组件调节冷端温度；

第一显示模块，用于接收到温差发电组件根据所述温度差产生的电流后，生成所述温度差对应的电流数据，并将所述温度差和所述电流数据呈现在电子屏上；

第二显示模块，用于在升压电路对所述电流升压时，控制储能电感和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向；

第三显示模块，用于在储能电池的充、放电过程中，控制所述led灯带进行对应的上升点亮、下降点亮。

其中，所述系统还包括：

电源模块，用于改变可移动导轨和所述可移动导轨上的可滑动光源的位置，以模拟太阳光。

其中，所述第一显示模块包括：

生成单元，用于生成所述温度差对应的温差发电电压值、电流值和功率参数；

呈现单元，用于将所述温度差、所述温差发电电压值、所述电流值和所述功率参数以数值表格和动态曲线的形式呈现在触摸屏上。

其中，所述第二显示模块包括：

第一控制单元，用于当pwm波占空比发生变化时，利用led驱动控制led灯带产生相应的亮度变化；

第二控制单元，用于调节循环逻辑位移的方向实现储能电感和升压电路中的led灯带的流动闪烁方向的控制。

本申请还提供一种用于科普演示的太阳能温差发电的装置，包括：

用于模拟太阳光的光源组件；

位于所述光源组件下方用于发电的温差发电组件，包括集热器以及置于所述集热器下方的集热板，且所述集热器和所述集热板的边缘部分嵌于隔热层中；置于集热板下方的多组由p型半导体和n型半导体组成的电偶组、置于所述电偶组下方的散热板和置于所述散热板下方的制冷组件；

通过led灯带与所述电偶组相连的储能电池；其中，所述led灯带的流动闪烁方向和亮度用于模拟电流的方向和大小。

本申请所提供的一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法，包括接收到分别放置于冷端和热端的温度传感器传送的温度数据后，控制器根据温度差调节模拟光源的亮度，并控制制冷组件调节冷端温度；接收到温差发电组件根据所述温度差产生的电流后，生成所述温度差对应的电流数据，并将所述温度差和所述电流数据呈现在电子屏上；在升压电路对所述电流升压时，控制储能电感和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向；在储能电池的充、放电过程中，控制所述led灯带进行对应的上升点亮、下降点亮。通过led灯带模拟显示电流的流向、大小，且在电子屏上实时显示电流的相关数据等动态模拟方式，方便受众观看了解太阳能温差发电的过程。本申请还提供了一种应用于科普演示的太阳能温差发电的系统和装置，具有上述有益效果，此处不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种用于科普演示的太阳能温差发电的方法流程图；

图2为本申请实施例所提供的升压电路模拟实现的方法流程图；

图3为本申请实施例所提供的一种用于科普演示的太阳能温差发电的方法的具体应用结构图；

图4为本申请实施例所提供的一种升压电路的电路示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种储能电池模型示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种用于科普演示的太阳能温差发电的系统示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

请参考图1，图1为一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法流程图，具体方案如下：

s101：接收到分别放置于冷端和热端的温度传感器传送的温度数据后，控制器根据温度差调节模拟光源的亮度，并控制制冷组件调节冷端温度；

在本申请中，温差是由改变冷端和热端的温度实现的。可以是同时改变冷端和热端两端的温度，也可以仅通过改变某一端的温度实现温差。当然为了效果明显，同时改变两端温度是最佳选择。

在热端，可以放置一个光源组件，该光源组件可由滑动导轨和一个亮度可调的光源构成。光源可以手动调节在导轨上任意滑动，以达到模拟太阳位置的目的。也可以调节亮度，以模拟太阳光照的强度变化。光源要求能发光发热且易控，例如可以是灯泡。此外，若是光源不能满足发电要求或发电效果不明显，还可以利用集热器或集热板提高热端的温度。这里模拟动态太阳光源优选的为温度可控的光源，当然不硬性要求为微观可控，能够做到随着控制器的控制实现相应的温度升高或下降即可。

在冷端，使用可降温的工具，这里并不限定降温方法。优选的，可使用风扇或水泵降温。当然还可以使用利于散热的材料或空间结构，例如散热板等。水泵通过水管连接一个水箱，构成一个循环回路。水管的某一部分接入散热板并置于冷端，当然为了提高降温效果，还可以使用一些冷却方法置于水管壁外侧以达到冷却效果。风扇主要是加快空气流动，促进降温。

本步骤中，控制器可以控制调节光源亮度、控制制冷组件调节各端的温度。

s102：接收到温差发电组件根据所述温度差产生的电流后，生成所述温度差对应的电流数据，并将所述温度差和所述电流数据呈现在电子屏上；

温差发电组件指的是pn半导体模型，即多组p型电偶和n型电偶构成的温差片，在有温差时能够产生电流。产生的电流会沿着led灯带进入升压电路。这里的电路并不是指通常的电路，为了区分和展示，本申请将电路替换成了led灯带，这样电流的方向和大小能够根据led灯带中小灯的点亮顺序和亮度得知，显得一目了然。当然，对应的控制器中可以存在一个可控制led灯带的led驱动。

控制器内部需要有一个电表，能够测电流的电压值、电流值等相关数据。再将这些数据发送到电子屏上，以数值表格和曲线方式动态呈现。当然，电子屏可以是触摸屏，甚至可以允许用户修改相关数据的数值。例如增大或减小电压时对应热端和冷端的变化。

s103：在升压电路对所述电流升压时，控制储能电感和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向；

升压电路的目的是为储能电池和负载提供较稳定的电压，此处并不限定升压电路的形式。例如可以是dc/dc升压电路，包括场效应管m模型、肖特基二极管d模型、储能电感模型、电容等构成，并受控于控制器。储能电感模型和升压电路可以由led灯带构成，其亮度可由控制器调节，模拟电流大小变化，控制器可利用led驱动控制led流动闪烁方向，模拟电流方向，随着升压电路中电流的变化而变化。

此外，为清晰地动态再现升压过程，控制器内部通过模拟控制逻辑算法实现，在电感足够大的情况下，一个pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)开关周期内流过的电流不变，电感储存的电量和释放的电量相同。其工作流程可以如图2所示：判断产生的pwm波是否为高电平，若是则开关m导通，此时电源给电感l充电，电容c向负载供电；若不是高电平，即为低电平时，开关m断开，此时电源和电感l向电容c供电，由电源和电感共同向负载供电。这里并不对负载作限定，可以为电灯等电子元件。

s104：在储能电池的充、放电过程中，控制所述led灯带进行对应的上升点亮、下降点亮。

储能电池的作用是为了将经太阳能温差发电产生的电能经过升压电路后进行储存，并在适当的时候为负载电路供电。为了更好的展示，可以使用一个储能电池模型，兼具储能和演示的作用。例如，可以将储能电池的电量按一定间隔进行分割，可动态清晰显示电量波动情况，当储能电池充电时，使得led灯带上升点亮，并显示电量；当储能电池放电时，led灯带下降点亮，并显示电量；储能电池的灯带受控于控制器，在充放电过程中会控制灯带显示电量到达的设定范围，具有实时动态性。其次，当电量下降到一个设定下限值以下时，电量黄色警告显示标志点亮；当电量上升到高于一个设定上限值时，电量黄色警告显示标志再次点亮。储能电池模型动态演示电量的充放电情况，并在触摸屏上展示，具有很好的科普效果，科普价值高。

当然，本实施例还需要包括控制器组件，包括电源、电子屏、控制芯片和相应的驱动电路等。这里对控制芯片的种类并不作限定，只要能实现上述方法相应的功能即可，例如stm32最小系统等。

值得一提的是，上述所有步骤中涉及的电路均可由线路电流模拟器替代，在此并不对线路电流模拟器作限定，可以是led灯带，也可以是其他易展示电流特性的组件。对应的，当为led灯带时，控制器中存在led驱动。

需要注意的是，在实际应用中，以科普为目的的温差发电展示装置不宜过大，且要求各组件之间的交互足够透明、清楚。因此经过温差发电组件产生的电流可能是极小的，为此，还可以使用各组件的相应模型，即使用并不具备其相应功能的各组件的模型并利用控制器进行控制展示。则上述温差发电的方法对应如下：

控制器根据温度差调节模拟光源的亮度，并控制制冷组件调节冷端温度；

检测冷端和热端的温差后，生成对应的电流数据，并呈现在电子屏上；

利用led驱动控制led灯带的亮度和点亮方向以模拟温差发电组件发电；所述亮度、点亮方向和所述电流数据相关；

在升压电路对电流升压时，控制储能电感l和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向；

在储能电池的充、放电过程中，控制led灯带进行对应的上升点亮、下降点亮。

上述步骤中温差发电组件、升压电路和储能电池均可以为相应的模型，以能够展示工作原理或流程为目的，在此并不限定其模型的形式、外观。

总的来说，本实施例所演示的科学现象可以并不由真实组件触发，而是在已知现象和结果的基础上对整个温差发电过程利用相应的模型装置进行生动而形象的展示，以达到科普的目的。实际工作的装置可以只有光源组件、制冷组件、温度传感器以及控制整个过程的控制器。应当理解的是，其余组件虽是模型，但应当足够逼真，且不具有或者在允许范围内可控的危险性。

本申请提供的一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法，通过简单的组件且全透明的演示方法，以及使用led灯带动态展示电路中电流的流向、大小，使用电子屏与观众加以展示和说明，具有更好的受众效果，展示效果更强，科普效果更好。

基于上述实施例，作为优选的实施例，本申请还提供了另外一种应用于科普演示的太阳能温差发电的具体实施方法，本实施例是在上述实施例的基础上，将各部分组件进行了具体的限定，方法部分可相互参照，此处不再赘述。

参见图3，图3为一种应用于科普演示的太阳能温差发电方法的具体应用结构示意图。

图中包括光源组件，温差发电组件，制冷组件，dc/dc升压电路，储能电池组件。

光源组件包括可滑动导轨100，支撑可滑动导轨100的支撑架101，悬挂于可滑动导轨100上的模拟动态太阳光源102等。其中，为能够尽可能的模拟太阳光带来的温度，需要光源尽量与太阳光的角度、强度相似，因此使用可滑动导轨100以及在导轨上可移动的光源，甚至还可以使支撑架与支撑面铰接，以允许支撑架在某个垂直于支撑面的平面内实现转动，达到更好的模拟太阳光的目的。

模拟动态太阳光源102为灯泡，可以实现手动调节灯泡光照位置或控制器调节灯泡亮度实现热端温度的改变。

温差发电组件包括一个集热单元、发电单元和散热单元。该集热单元包括置于热端下方的集热器201以及置于集热器201下方的集热板202，而集热器201和集热板202的边缘部分嵌于隔热层203中。集热单元能够更好的采集热端的温度，具有更好的展示效果。

发电单元包括放置于集热板202下方的多组p型半导体303和n型半导体304组成的电偶组(图示为示意图，仅显示两组，实际为多组)，通常发电后p型半导体303一端为正极，n型半导体304一端为负极。

散热单元包括置于p型半导体303和n型半导体304下方的散热板401，以及散热板下方的散热片402。

此外，在集热板202与电偶组之间以及散热板401与电偶组之间均存在一个温度传感器304，用于分别采集热端和冷端的温度数据并显示在触摸屏(图中未示出)上。

制冷组件包括向散热片402吹风的风扇403，水泵405和与水泵经水管相连的储水箱404，其中，散热片402接入水管，即散热片内部有水泵405泵出的水流通过。目的是利用加快空气流速以降低气温和水温，再利用循环流动的水进一步降低冷端的温度，实现温差。当然，水泵和风扇的功率是由控制器控制的，从而控制冷端的温度。

dc/dc升压电路400的正负极通过电路与p型半导体303、n型半导体304相连，dc/dc升压电路400与储能电池500、负载电路501分别并联，以实现pn电偶组发电后经dc/dc升压电路400升压后电能输入至储能电池500中。当储能电池放电时，向负载电路供电，此时可通过led灯带看见储能电池电量下降的过程。

具体的，dc/dc升压电路400的实现具体原理可以如图4所示，控制器内部三角波发生模块和常数发生模块经过比较器输出脉宽调制波驱动，pwm信号控制对应的m开关。当pwm输出高电平时，使得开关m开通，此时led灯带流动方向为l1-l2-l6-l5，对电感l充电，电感l上灯带越来越亮，同时后端的了电流流动方向为l3-l4-l8-l7，电容c向后端负载供电，电灯发光；当pwm输出低电平时，使得开关m关断，电流流动方向为l1-l2-l3-l7-l6-l5和l1-l2-l3-l4-l8-l7-l6-l5，这时电源电压和电感l电压叠加共同为c充电，实现电压抬升，并向负载提供能量，电灯发光。

储能电池组件为一个储能电池模型，参见图5，将储能电池的电量按10％间隔进行分割，可动态清晰显示电量波动情况，当储能电池充电时，使得led灯带上升点亮，并显示电量，此时电流方向为a4→正极→负极→a7；当储能电池放电时，led灯带下降点亮，并显示电量；此时电流方向为为a7→负极→正极→a4；储能电池的led灯带受控于控制器，在充放电过程中会控制灯带显示电量到达的设定范围，具有实时动态性。其次，当电量下降到10％以下时，电量黄色警告显示标志点亮；当电量上升到高于90％，电量黄色警告显示标志再次点亮。储能电池模型动态演示电量的充放电情况，并在触摸屏上展示，具有很好的科普效果，科普价值很高。

值得一提的是，上述过程中所有电路均由led灯带替代，通过led灯带中的各小灯的明亮程度模拟电流的大小。可以看到发电时的电流流向为a1→a2→a3→a4→a5→a6→a7→a8→a9。用户可以在触摸屏上点击操作以查看实时参数，还可以通过改变相关参数以观察相应的组件变化。例如，当用户希望增大电流时，在触摸屏上点击相应的增大电流功能框，此时控制器会操控通过提高热端灯泡的亮度以及提高冷端风扇和水泵的功率以扩大热端和冷端之间的温差，进而led灯带中的各小灯会变亮，科普的效果较好。

此外，还包括一个控制器组件，该控制器组件包括stm32最小系统、光源驱动电路、led驱动电路、水泵驱动电路、风扇驱动电路及触摸屏。stm32选择stm32f407zgt6；led选用led5050，采用stm32的i/o口结合mosftet进行驱动，led亮度通过调节i/o口产生的pwm波占空比时控制器对应控制led驱动实现，流动速度以及方向通过调节循环逻辑位移的间隔时间以及方向时控制器对应控制led驱动实现；水泵电机选用12v驱动kamoerkpp-b，采用stm32的i/o口结合mosftet进行驱动控制；光源采用ac-220v供电，由stm32通过一个i/o口输出pwm控制信号，经过三极管驱动继电器控制灯泡明亮程度；触摸屏选用atk-7tftlcdv2，界面包括电压、电流、功率、电量参数显示，电压曲线、电流曲线、功率曲线，启停按钮、光照位置跟踪按钮、光照强度模拟按钮。

下面对本申请实施例提供的一种应用于科普演示的太阳能温差发电的系统进行介绍，下文描述的内容与上文描述的应用于科普演示的太阳能温差发电的方法可相互对应参照。参见图6，该系统可以包括：

温控模块600，用于接收到分别放置于冷端和热端的温度传感器传送的温度数据后，控制器根据温度差调节模拟光源的亮度，并控制制冷组件调节冷端温度；

第一显示模块700，用于接收到温差发电组件根据所述温度差产生的电流后，生成所述温度差对应的电流数据，并将所述温度差和所述电流数据呈现在电子屏上；

第二显示模块800，用于在升压电路对所述电流升压时，控制储能电感和升压电路中的led灯带的亮度、流动闪烁方向以模拟电流大小和电流方向；

第三显示模块900，用于在储能电池的充、放电过程中，控制所述led灯带进行对应的上升点亮、下降点亮。

基于上述实施例，作为优选的实施例，所述系统还可以包括：

电源模块，用于改变可移动导轨和所述可移动导轨上的可滑动光源的位置，以模拟太阳光。

基于上述实施例，作为优选的实施例，所述第一显示模块700可以包括：

生成单元，用于生成所述温度差对应的温差发电电压值、电流值和功率参数；

呈现单元，用于将所述温度差、所述温差发电电压值、所述电流值和所述功率参数以数值表格和动态曲线的形式呈现在触摸屏上。

基于上述实施例，作为优选的实施例，所述第二显示模块800可以包括：

第一控制单元，用于当pwm波占空比发生变化时，利用led驱动控制led灯带产生相应的亮度变化；

第二控制单元，用于调节循环逻辑位移的方向实现储能电感和升压电路中的led灯带的流动闪烁方向的控制。

本申请还提供一种用于科普演示的太阳能温差发电的装置，包括：

用于模拟太阳光的光源组件；

位于所述光源组件下方用于发电的温差发电组件，包括集热器以及置于所述集热器下方的集热板，且所述集热器和所述集热板的边缘部分嵌于隔热层中；置于集热板下方的多组由p型半导体和n型半导体组成的电偶组、置于所述电偶组下方的散热板和置于所述散热板下方的制冷组件；

通过led灯带与所述电偶组相连的储能电池；其中，所述led灯带的流动闪烁方向和亮度用于模拟电流的方向和大小。

当然，所述装置还可以包括上述实施例中所描述的电子屏(或是触摸屏)、升压电路和负载电路，具体实施方式与上述实施例相似，可以参见上述实施例，此处不再赘述。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例提供的系统而言，由于其与实施例提供的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的一种应用于科普演示的太阳能温差发电的方法、系统和装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。