溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)

彭 晟 陳桂林

(新余市第六中學(xué) 江西 新余 338000)

由于自然界的物質(zhì)是無言的，需要通過實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)人與自然的對(duì)話，通過實(shí)驗(yàn)來揭示自然規(guī)律.許多物理問題說不清時(shí)，只要做一下實(shí)驗(yàn)，學(xué)生就容易明白.對(duì)于能量轉(zhuǎn)化自然規(guī)律，接觸最多的是機(jī)械能(動(dòng)能與勢(shì)能)之間以及電能與熱能之間的相互轉(zhuǎn)化，而熱能轉(zhuǎn)化電能還是見得少，為此在高中《物理·選修3》“熱力學(xué)定律”教學(xué)過程中，如果能設(shè)計(jì)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，那么課堂的教學(xué)效果就會(huì)更好.筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)，以供教師教學(xué)參考.

1 溫差發(fā)電實(shí)物圖

溫差發(fā)電實(shí)物如圖1所示.

圖1

2 溫差發(fā)電的原理

溫差發(fā)電的原理如圖2所示，將兩種不同類型的熱電轉(zhuǎn)換材料N和P的一端結(jié)合并將其置于高溫環(huán)境， 另一端置于低溫環(huán)境.由于高溫端的熱激發(fā)作用較強(qiáng)，此端的空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下， 空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在高、低溫兩端形成電勢(shì)差.將許多對(duì)P型和N型熱電轉(zhuǎn)換材料連接起來組成模塊， 就可得到足夠高的電壓， 形成一個(gè)溫差發(fā)電機(jī).

圖2

3 溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)

溫差發(fā)電主要由導(dǎo)熱金屬架、半導(dǎo)體制冷芯片、微型電機(jī)等材料組成.其中半導(dǎo)體制冷芯片，不僅具有N型和P型半導(dǎo)體特性，而且根據(jù)需要摻入雜質(zhì)可改變半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)率、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率.目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家常用的材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采取垂直區(qū)熔法提取晶體材料.當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料與一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，其吸熱、放熱的大小取決于電流的大小及半導(dǎo)體材料N,P的元件對(duì)數(shù).半導(dǎo)體制冷芯片的反向使用就是溫差發(fā)電，它一般采用中低溫區(qū)發(fā)電(低溫一般為20℃，高溫在95℃).

安裝時(shí)，需要在半導(dǎo)體制冷芯片及接觸黃銅板涂上一些導(dǎo)熱硅脂，使它們受熱快且均勻，將兩黃銅板對(duì)稱安裝成為溫差發(fā)電裝置.需要發(fā)電時(shí)，將兩金屬板分別放在熱水和冷水中，由于兩邊金屬板溫度有高低，溫度高的金屬片的自由電子比溫度低的金屬片自由電子動(dòng)能大，自由電子便從高溫處向低溫處擴(kuò)散，在低溫處堆積起來，因此,在導(dǎo)體內(nèi)形成電場(chǎng)，在兩金屬片形成電勢(shì)差.從而驅(qū)使電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了熱能轉(zhuǎn)化為電能，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)化過程.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

首先,將溫差發(fā)電裝置放在冷水杯與熱水杯中，用數(shù)字溫度計(jì)先測(cè)出冷水的溫度，記錄數(shù)據(jù)，再將數(shù)字溫度計(jì)探針上的水珠擦干后放入熱水中，每隔30 s測(cè)一次熱水的溫度，及時(shí)記錄數(shù)據(jù)；其次，將數(shù)字電壓表調(diào)到直流擋，將其表筆連接半導(dǎo)體的兩接線處，同時(shí)測(cè)量半導(dǎo)體輸出電壓，記錄其輸出電壓.將測(cè)量出熱水水溫與對(duì)應(yīng)的電壓填入表格中，如果還能將這些數(shù)據(jù)用坐標(biāo)描繪出對(duì)應(yīng)圖像就更好.筆者測(cè)了一組熱水溫度變化與輸出電壓的數(shù)據(jù)，如表1所示，其中冷水溫度為20.6℃.

表1 熱水溫度變化與輸出電壓關(guān)系

熱水溫度/℃70.870.069.568.668.467.3冷熱水溫差/℃50.249.448.948.047.846.7電壓/V4.254.244.163.913.903.24

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，水的溫差與發(fā)電機(jī)輸出的電壓大體上成正比.

5 溫差發(fā)電運(yùn)用

溫差發(fā)電運(yùn)用在軍事與航天、遠(yuǎn)離城市的邊遠(yuǎn)地區(qū)及海上作業(yè)平臺(tái)等特殊的場(chǎng)合已得到高度重視.

(1)軍用發(fā)電機(jī).其特點(diǎn)為無噪音、高度可靠，且燃料適應(yīng)性廣.500 W溫差發(fā)電機(jī)質(zhì)量輕，維護(hù)容易，工作溫度范圍在-31°C～+51°C.

(2)邊遠(yuǎn)高寒地區(qū).可將多個(gè)溫差發(fā)電模塊串聯(lián)放在爐子的頂部和四周，并與變換電路及蓄電池系統(tǒng)相連，基本能保證一個(gè)家庭的生活用電.

(3)汽車尾氣發(fā)電機(jī).日本開發(fā)了利用小汽車尾氣、廢氣發(fā)電的小型溫差發(fā)電機(jī)，功率為100 W，可節(jié)省燃油5%.美國(guó)試制用于大貨車柴油機(jī)尾氣系統(tǒng)溫差發(fā)電機(jī)，最大輸出功率達(dá)1 000 W.

(4)工業(yè)廢(氣)熱發(fā)電.工業(yè)廢(氣)熱不僅過量地消耗資源，而且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，在內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)等熱機(jī)中燃料所產(chǎn)生能量的50%以上都被浪費(fèi)，在鋼鐵工業(yè)、水泥工業(yè)、各種氣體輸送壓縮泵站，廢熱也是巨大的，特別是垃圾焚燒爐的熱利用問題，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極研究溫差發(fā)電材料與技術(shù).

(5)太空探索.對(duì)于遙遠(yuǎn)的太空探測(cè)器，放射性同位素供熱的溫差發(fā)電器是目前唯一的供電系統(tǒng)，它們已成功地用于美國(guó)宇航局發(fā)射的“旅行者一號(hào)探測(cè)器”“伽利略火星探測(cè)器”上.

目前溫差發(fā)電效率還是很低，但作為一種對(duì)環(huán)境友好的節(jié)能技術(shù)，它將在人類21世紀(jì)新能源技術(shù)方面具有十分重要的價(jià)值，在以上領(lǐng)域和其他科研領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.通過實(shí)驗(yàn)的演示，學(xué)生更能理解能量轉(zhuǎn)化規(guī)律.