SP1848溫差發(fā)電片的實驗研究

朱坤博，劉 震，王志軍

(吉林大學 物理學院，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)電實驗研究，不僅可以使學生了解溫控的基本原理，又可以讓學生將熱學實驗和電學實驗有機地結(jié)合起來，接觸一些科學前沿領域，在新工科背景下，對理、工科學生的培養(yǎng)具有重要意義。為此，用現(xiàn)在較先進和流行的溫控儀表及溫控探頭進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)電實驗裝置，具有設備簡單、精度高、可實時進行檢測、控制溫度，測量結(jié)果較精確等特點。

1 原理及實驗裝置結(jié)構(gòu)介紹

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

為拓展當代大學生的實驗學習范圍，讓學生對溫差發(fā)電技術(shù)有一些初步了解，鍛煉學生的動手能力，同時激發(fā)同學們的學習熱情與創(chuàng)新能力，為以后的學習和科研打下良好的基礎。對溫差發(fā)電實驗裝置進行了設計，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖2為溫差發(fā)電實驗測量電路圖。

圖1 溫差發(fā)電實驗裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 溫差發(fā)電實驗測量電路圖

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、數(shù)字溫控表、溫控探頭(PT100)以及電源輸出電線組成。實驗時還需與電阻箱、電流表、電壓表相連以測出相應數(shù)據(jù)。

2 實驗過程及實驗數(shù)據(jù)處理、分析

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

(2)設置溫差發(fā)電片加熱目標溫度(溫控表1)，使溫控表1的目標溫度與溫控表2的實際溫度的差值為10 ℃，打開加熱開關進行加熱，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注兩溫控表的溫度差，待兩溫控表溫度達到穩(wěn)定的10.00.1 ℃溫度差時，如表1調(diào)節(jié)電阻箱阻值并同時記錄電流、電壓值。

(4)將溫差分別調(diào)至20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，重復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(負載在11 Ω)、3.34(負載在15 Ω)、6.10(負載在8 Ω)、11.42(負載在15 Ω)、15.60 mW(負載在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)電阻電流關系曲線

從圖3(a)電阻電流關系曲線中可以看出，輸出電流與負載R成反比；從圖3(b)電阻電壓關系曲線中可以看出輸出電壓先隨負載迅速增大，然后趨于飽和；從圖3(c)電阻功率關系曲線中可以看出輸出功率先隨負載從0迅速增大至最大值，然后逐漸衰減至0；從圖3(d)溫差功率關系曲線中可以看出最大輸出功率隨溫差呈非線性關系。可近似用以下公式進行模擬：

P=-1.2688+0.1460×Δt+0.0391×Δt2(mW)

(1)

3 結(jié) 語

測試結(jié)果顯示：輸出電流與負載R成反比，0～50 Ω區(qū)間降速較大；輸出電壓先隨負載(0～50 Ω)迅速增大，然后逐漸趨于飽和；輸出功率先隨負載從0迅速增大至最大值(負載電阻8～15 Ω區(qū)間達到最大值)，然后逐漸衰減至0；最大輸出功率隨溫差呈非線性關系,可用二次函數(shù)進行擬合。以上結(jié)果表明，所制備的溫差發(fā)電實驗裝置數(shù)據(jù)合理，較為準確，可以運用到實驗教學中。