演示实验之温差发电.docx

[姓名]|?2016年10月13日大学物理演示实验实验报告温差发电实验报告实验图片实验名称演示实验——温差发电2.实验现象的描述准备好实验装置温差发电仪，将三只杯子装满开水，放到温差发电仪的接触面上，稍等片刻，会发现依次旋转螺旋按钮，会看到小灯泡变亮，发光二极管闪烁，音乐片发出悦耳的音乐。3.实验所涉及的物理知识（一）赛贝尔效应如图一所示，将两种不同的导体a和b（n-型和p-型半导体）串联组成回路，并使接头1和接头2保持在不同的温度T1和T2（T1T2），p-型半导体中的空穴和n-型半导体中的电子会分别向高低温端积累，这样在导体b的开路位置X和y之间就会有一个电势产生，这一效应称为温差电现象，即赛贝克效应。将由N、P两种类型不同的半导体热电材料经电导率较高的导流片串联，并在A、B两端建立温差，则在负载RL两端施加电压，即可制成有一定输出功率和输出电压的发电器，温差电动势与两个接头的温度和组成闭合回路的物质有关。在温度相差不大的范围内，温差电动势Eab与温差ΔT成正比，可表示为Eab=KΔT 。 图一 图二（二）温差发电原理温差发电的原理如图二所示。它由N、P两种不同类型的半导体热电材料经过导电性好的导流片串联而成，当热端加热时，使器件的两端建立起温差，两种载流子都流向冷端，形成温差发电器。4.实验现象的历史和应用(一)温差发电现象的历史1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”【1】。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。【2】1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。塞贝克效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差（其中的一端产生热量，另一端吸收热量）的现象，两者结合起来就构成了汤姆逊效应。【3】1881年9月，巴黎生物物理学家德·阿松瓦尔就提出利用海洋温差发电的设想。1926年11月，法国科学院建立了一个实验温差发电站，证实了阿松瓦尔的设想。1930年，阿松瓦尔的学生克洛德在古巴附近的海中建造了一座海水温差发电站。1961年法国在西非海岸建成两座3500千瓦的海水温差发电站。美国和瑞典于1979年在夏威夷群岛上共同建成装机容量为1000千瓦的海水温差发电站，美国还计划在21世纪初建成一座100万千瓦的海水温差发电装置，以及利用墨西哥湾暖流的热能在东部沿海建立500座海洋热能发电站，发电能力达2亿千瓦。（二）温差发电技术的应用 太阳能发电太阳能是人类可直接利用的清洁能源之一。在寻找新能源的探索中，太阳能无疑是目前最好的选择。温差发电开辟了利用太阳能的一个新途径。太阳能温差发电技术是先通过集热器将太阳能转换为热能，再利用塞贝克效应(温差电效应)将热能转换为电能。传统的太阳能热发电方式都用发电机或蒸汽轮机作原动机，噪声很大，并普遍造成环境的变迁与污染。此外，这些带运动部件的系统都包含了一定的维护工作量和必须的运行维护费用，只有在发电容量较大的场合才能获得良好的技术指标。无运动部件、无噪声且不需要维护的温差发电技术则能够大大简化太阳能发电系统的结构，并可以根据负荷灵活调整温差发电模块的数量，满足对中、小发电量的要求。2004年泰国学者研究了一种太阳能温差发电屋顶的结构，他在屋顶设置了热电转换器件，利用铜板吸收太阳能辐射热使热电转换器件的热端温度升高，与环境之间形 成温差，进行发电。近年，武汉理工大学张清杰教授同日本科学家新野正之合，提出了将基于高效热电材料的太阳能热电转换技术与基于光伏电池材料的太阳能光电转换技术进行集成复合的太阳能热电光电复合发电技术的新的科学构想，得到我国NSFC和日本JST重大国际合作研究项目的支持，研制出了具有中日双方50％知识产权的国际上第一台太阳能热电 光电复合发电的实验系统