一套能源轉換演示裝置設計及其應用淺探

引言

在高中化學蘇教版選修四“化學反應原理”專題一“化學反應與能量變化”部分中，特別提到能量的充分利用問題，指出太陽能、氫能等新能源是當前國際能源研究的重要課題。研究新能源的開發和利用，是學生十分感興趣的內容，但是教材在這方面并不包含對應實驗。本文針對太陽能、電能、氫能（化學能）等幾種能源之間的相互轉化進行綜合設計，既可作為演示實驗，也可看作對新能源研究的一種探索。特別是太陽能和燃料電池的綜合利用，具有其他能源無可替代的資源優勢和環保優勢。本文同時對如何實現幾種能源之間的相互轉化的自動控制問題進行了有益探索，也具有一定的現實意義。

9代演示裝置的設計與改進

第1代演示裝置電能與氫能（燃料電池）的相互轉化

第1代演示裝置設計出氫氣燃料電池的充電放電過程。實驗時，先接通直流電源，此時陽極出現氧氣，陰極出現氫氣，實現電能到化學能的轉化。當電解產生的氫氣、氧氣達到一定體積時，切換開關，此時形成氫氧燃料電池，實現化學能到電能的轉化。

由于實驗室常見的u形管管徑太小，無法將電極和漏斗頸同時插入橡皮塞中，受醫用點滴瓶的啟示，選用點滴用軟管代替漏斗，并用手機充電寶代替直流電源組合成第1代演示裝置。

第2代演示裝置：電能與化學能的相互轉化，電流表指針發生偏轉

第1代裝置電解速度慢，產生氣體少，實驗現象不明顯。為此只好換用傳統做法，使用長頸漏斗、直流電源和電流計組裝成第2代演示裝置進行操作，燃料電池接通后電流計指針發生偏轉，實驗現象比第1代裝置明顯。

第3代演示裝置：發光二極管發光，液體可以進入漏斗

針對第2代裝置的不足，我改用更大的U形管和更長的碳棒，以提高電流強度和燃料電池工作時間。經過摸索，最終選擇了2支100mL針筒和5支碳棒纖維，碳棒纖維須進行淬火處理，并用三角漏斗代替長頸漏斗。這樣組裝成了第3代演示裝置，其中燃料電池工作時電壓2V左右，電流20mA左右，終于使發光二極管發光，且液體可以進入漏斗中。

第4代演示裝置發光二極管發光，液體進入漏斗，U形管中現象明顯

鑒于第3代演示裝置存在的問題，采用定制的大U形管（管徑5cm，單邊管長20cm）代替大針筒，可以看到管中明顯的氣體產生現象及液體進入漏斗，且發光二極管發光能夠發光，見圖1。

至此，使用第4代演示裝置，可以清晰觀察到電能和化學能之間的相互轉化。使用的電解質溶液為硫酸鈉溶液，構成的是氫氣燃料電池，消除了學生對于燃料電池構造及能否產生電流的疑惑。

第5代演示裝置：太陽能與電能、氫能（燃料電池）的轉化，現象明顯

為了實現太陽能到電能、氫能的轉化，只需在第4代演示裝置基礎上將直流電源換為太陽能電池板，就組裝成了第5代演示裝置，在陽光充分的條件下，實驗現象十分明顯。第5代裝置原理見圖2。

第6代演示裝置：現象更加明顯

為了實現太陽能到電能、氫能（燃料電池）、熱能的轉化，可在第5代演示裝置的基礎上將電解時陰極產生的氫氣導出并進行燃燒。為此，在陰極處的橡皮塞上加裝一個帶活塞的導氣管，構成第6代演示裝置。此時氫氣可以燃燒，實現化學能到熱能的轉化。

第7代演示裝置：實現電解與燃料電池工作的自動控制

第7代演示裝置安裝了自動控制浮球，在第6代裝置人為控制的基礎上實現自動控制。在太陽能電池板的自動控制中，已經有了太陽能路燈光控開關，將其安裝在燃料電池的控制電路中，也可以實現白天電解、夜間燃料電池供電的自動控制。

第8代演示裝置：實現室內演示全過程

第8代演示裝置改用家用浴霸取暖燈作為光源，實現在室內演示能量轉換，效果很明顯。如果在燃料電池的電路上安裝光控開關，就可以實現浴霸燈開啟時電解開始，浴霸燈關閉時電解結束，且燃料電池開始工作，發光二極管發光，演示了幾種能量的轉化過程。

第9代演示裝置及操作步驟和現象：優化室內演示效果

第8代演示裝置已經可以實現室內演示，但在具體實驗中發現還存在不夠完善的地方：一是浴霸取暖燈在發光的同時大量放熱；二是發光二極管的發光現象還不夠明顯；三是電解速度還不夠快。為此，在3個方面進行改進：①使用小太陽燈管代替浴霸取暖燈；②使用小鬧鐘代替發光二極管；③使用氫氧化鉀溶液代替硫酸鈉溶液。第9代裝置實物圖見圖3。

第9代演示裝置的用途拓展

第9代演示裝置除了可以實現幾種能量轉化演示外，進行適當改裝后，還具有其他用途。

改進教材驗證電解飽和食鹽水產物的演示實驗。

用實驗裝置的思路解決遠洋輪船的用電用火及長久續航問題。

演示裝置的原理可用于太陽能路燈的供電供氣改造。

創新點

經過多次改進，本裝置不但可以完成能量轉化的演示，還具備以下刨新點。

填補空白：本裝置的設計填補了目前中學實驗室無能源轉換演示裝置的空白，并已取得國家知識產權局專利申請受理通知書。

儀器簡單：小太陽燈管、太陽能電池板、U形管、碳棒、雙控開關等均可在網上購買，且價格便宜，整套裝置不超過200元。

操作方便：可重復進行，成功率100%。整套實驗完成只需4分鐘左右，適合在課堂演示。

現象明顯：幾種能源的轉換通過小鬧鐘的指針轉動、鬧鈴響聲、液面的升降和燃燒等直觀展現，效果明顯。

應用廣泛：可以演示能源轉換、燃料電池、電解飽和食鹽水等諸多化學實驗，并進行產物判斷，在實際生活中可在貨輪、路燈上進行改造，提供用電用火。

培養意識：通過太陽能、燃料電池等設計，培養學生節能減排的環保意識。

拓展視野：通過自動控制問題探究培養學生的刨新精神和實踐能力，激發學習興趣。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果化學教學類一等獎。

專家評語

該作品依據電化學、光電技術、信息技術、燃料電池、自動控制等科學和技術原理，通過連續不斷的改進和創新，采用市場上容易買到的元器件，制作形成了升級換代，且具備較為豐富和系統教育教學功能的能源轉換裝置，為化學和物理學及二者交叉的能源教學提供了很好的教育資源和手段。