朱坤博，劉 震，王志軍

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130012)

溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，通過溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究，不僅可以使學(xué)生了解溫控的基本原理，又可以讓學(xué)生將熱學(xué)實(shí)驗(yàn)和電學(xué)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，接觸一些科學(xué)前沿領(lǐng)域，在新工科背景下，對理、工科學(xué)生的培養(yǎng)具有重要意義。為此，用現(xiàn)在較先進(jìn)和流行的溫控儀表及溫控探頭進(jìn)行溫度檢測和控制溫度可精確到0.1°(0.1°左右)，制作出溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，具有設(shè)備簡單、精度高、可實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測、控制溫度，測量結(jié)果較精確等特點(diǎn)。

1 原理及實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)介紹

溫差發(fā)電原理是利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能[1-3]，產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)的主要原因是熱端的載流子往冷端擴(kuò)散的結(jié)果。當(dāng)擴(kuò)散作用與電場的漂移作用相互抵消時(shí)，即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導(dǎo)體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動(dòng)勢——溫差電動(dòng)勢。

為拓展當(dāng)代大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)范圍，讓學(xué)生對溫差發(fā)電技術(shù)有一些初步了解，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，同時(shí)激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情與創(chuàng)新能力，為以后的學(xué)習(xí)和科研打下良好的基礎(chǔ)。對溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖2為溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)測量電路圖。

圖1 溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)測量電路圖

本溫差發(fā)電演示儀由外置水箱、內(nèi)置循環(huán)水箱、溫差發(fā)電片組、指示燈、電表、功率調(diào)節(jié)器、開關(guān)、數(shù)字溫控表、溫控探頭(PT100)以及電源輸出電線組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)還需與電阻箱、電流表、電壓表相連以測出相應(yīng)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析

(1)打開電源總開關(guān)，預(yù)熱5 min后，觀測并調(diào)節(jié)兩溫控表初始溫度與室溫相同。

(2)設(shè)置溫差發(fā)電片加熱目標(biāo)溫度(溫控表1)，使溫控表1的目標(biāo)溫度與溫控表2的實(shí)際溫度的差值為10 ℃，打開加熱開關(guān)進(jìn)行加熱，并調(diào)節(jié)電流表電流在1.7 A左右。

(3)按圖2連接電路，連接電路過程中密切關(guān)注兩溫控表的溫度差，待兩溫控表溫度達(dá)到穩(wěn)定的10.00.1 ℃溫度差時(shí)，如表1調(diào)節(jié)電阻箱阻值并同時(shí)記錄電流、電壓值。

(4)將溫差分別調(diào)至20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，重復(fù)2、3步，分別將數(shù)據(jù)結(jié)果記入表1中。

從表1中數(shù)據(jù)看出相同阻值條件下，隨著溫差的增大，電流、電壓及輸出功率均逐漸增大，并可得到不同溫差下與最大輸出功率分別為0.61(負(fù)載在11 Ω)、3.34(負(fù)載在15 Ω)、6.10(負(fù)載在8 Ω)、11.42(負(fù)載在15 Ω)、15.60 mW(負(fù)載在10 Ω)。

表1 SP1848電池不同溫差下的電池輸出特性數(shù)據(jù)

圖3為SP1848溫差電池輸出特性。

(a)電阻電流關(guān)系曲線

從圖3(a)電阻電流關(guān)系曲線中可以看出，輸出電流與負(fù)載R成反比；從圖3(b)電阻電壓關(guān)系曲線中可以看出輸出電壓先隨負(fù)載迅速增大，然后趨于飽和；從圖3(c)電阻功率關(guān)系曲線中可以看出輸出功率先隨負(fù)載從0迅速增大至最大值，然后逐漸衰減至0；從圖3(d)溫差功率關(guān)系曲線中可以看出最大輸出功率隨溫差呈非線性關(guān)系?？山朴靡韵鹿竭M(jìn)行模擬：

P=-1.2688+0.1460×Δt+0.0391×Δt2(mW)

(1)

3 結(jié) 語

測試結(jié)果顯示：輸出電流與負(fù)載R成反比，0～50 Ω區(qū)間降速較大；輸出電壓先隨負(fù)載(0～50 Ω)迅速增大，然后逐漸趨于飽和；輸出功率先隨負(fù)載從0迅速增大至最大值(負(fù)載電阻8～15 Ω區(qū)間達(dá)到最大值)，然后逐漸衰減至0；最大輸出功率隨溫差呈非線性關(guān)系,可用二次函數(shù)進(jìn)行擬合。以上結(jié)果表明，所制備的溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)據(jù)合理，較為準(zhǔn)確，可以運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。