教学型温差发电演示仪的设计与制作1.doc

教学型温差发电演示仪的设计与制作 王颖,吕晶 (龙岩学院物理与机电工程学院 福建龙岩 364000) 摘 要: 关键词：；；O484 文献标识码：A 引言温差发电实质是热电转换。19世纪，人们研究电磁关系时，也有一些科学家在研究热电关系。1821年塞贝克首先发现了两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这就是最早温差发电效应，称为塞贝克效应，后来成了温差发电的技术基础[1]。1881年科学家提出利用海洋温差发电的概念。温差发电技术研究始于20世纪40年代，于20世纪60 然而，温差发电、热电效应等在大学教学中很少出现。这对现如今飞速发展的科技是很不利的。本文在简单介绍温差发电原理的基础上，设计了一款教学型的简易温差发电演示仪。教学实践效果表明，此演示仪不但清新准确的演示了塞贝克效应，同时也拓展了学生的知识面，满足了学生的好奇心，引导学生关心当代工业发展动态。 1. 温差发电演示仪的设计原理 1.1温差发电的技术基础 温差发电技术至今已有一百多年的历史了，技术发展过程如图1所示。塞贝克效应是温差发电的技术基础，基本原理如图1-(a)所示。当两种不同的金属材料首尾连接时，如果接点处的温度不同，则将在回路中产生电流，这就是塞贝克效应。产生这种电流的电动势与节点温差和材料的热电性质有关。起初，人们把精力主要集中在金属材料上。但金属材料的塞贝克系数小，导热系数大，不但电动势小，也很难维持节点处恒定的温差。到20世纪初，人们总结了前面的经验，重新认识了温差发电技术。定义能够产生温差发电现象的材料为热电材料， 温差发电装置的转换效率主要取决于热电材料，与材料的塞贝克系数、电导率和热导率。理想的热电材料要有高的塞贝克系数和电导率，低的热导率，因此，人们的视线转向了半导体材料。经实践，半导体热电材料的发电效率较金属材料提高很多，温差发电装置的基本机构改成如图1-(b)所示由P型和N型半导体作为热电材料做成PN结，为提高发电量，现多采用多个PN结并联式如图1-()所示。 图3 温差发电演示仪结构示意图 图4 演示仪照片：(1)发电系统；(2)测量部分；(3)效果检测部分； 3.演示与实测结果 3.1演示过程与效果 首先，组装好发电系统。水池内注入水，至少要淹没水泵。热水槽内也注入水，至少要淹没加热棒。在热水槽中放好自动均衡器，再把半导体温差发电片放置在自动均衡器上（发电片上下表面用水润湿，保证发电片与水接触良好）。把冷水槽轻放在半导体温差发电片上，并确定发电片上下面与冷、热水接触良好。 接下来开始演示。先把信号线连接好电压表和温度表，观察是否有电发出来。如果没有，检查发电系统是否组装良好。当有电发出来后，按不同方式连结演示部分。在恒定的温差下，分别按图1-(b)、(c)两种方式连接发电片与风扇，观察效果明显不同，测出的电压值也接近两倍() 。风扇、小电珠、LED二极管和发电片两种连接方式可组成多种演示方案。 3.2测量过程与结果分析 按演示过程组装好发电系统，并保证发电片上下面与冷、热水接触良好。将发电系统与测量部分用信号线连接好，准备开始测量。热端水温从85.0 1 2.0 85.0 83.0 385.0 2 4.5 85.0 80.5 372.5 3 5.4 80.0 74.6 335.0 4 4.3 75.0 70.7 307.5 5 3.1 70.0 66.9 292.5 6 7.7 70.0 62.3 275.0 7 5.8 60.0 54.2 225.0 8 7.9 55.0 47.1 190.0 9 10.0 50.0 40.0 155.0 10 4.9 40.0 35.1 125.0 11 4.1 35.0 30.9 100.0 12 4.7 30.0 25.3 90.0 13 4.5 24.0 19.5 53.0 14 4.6 18.0 13.4 21.0 15 5.1 11.0 5.9 15.0 16 4.9 5.0 0.1 0.0 图5 冷热端温差Tab(℃)与发电Eab(V)之间的关系曲线 根据表1中数据，作出如图5所示的由图可以看出，在图中测量范围内，温差与发电量基本呈线性关系。20～85℃之间基本呈线性关系[1]孙志强.温差发电技术[J],中国博士后,2010,1:37-40. [2]高敏，张景韶,等．温差电转换及其应用[M]．北京：兵器工业出版社．1996． [3]许艳艳,王东生,等.基于余热回收的半导体温差发电模型及数值模拟[J]，节能技术,2010,28(3):168-172. [4]黄志勇，吴知非,等．温差发电器及其在航天与核电领域的应用[J]原子能源技术，2006(38)：42-47