溫差發電實驗

彭 晟 陳桂林

(新余市第六中學 江西 新余 338000)

由于自然界的物質是無言的，需要通過實驗來實現人與自然的對話，通過實驗來揭示自然規律.許多物理問題說不清時，只要做一下實驗，學生就容易明白.對于能量轉化自然規律，接觸最多的是機械能(動能與勢能)之間以及電能與熱能之間的相互轉化，而熱能轉化電能還是見得少，為此在高中《物理·選修3》“熱力學定律”教學過程中，如果能設計一個有趣的實驗，將熱能轉化為電能，那么課堂的教學效果就會更好.筆者設計了一個溫差發電實驗，以供教師教學參考.

1 溫差發電實物圖

溫差發電實物如圖1所示.

圖1

2 溫差發電的原理

溫差發電的原理如圖2所示，將兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的一端結合并將其置于高溫環境， 另一端置于低溫環境.由于高溫端的熱激發作用較強，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動下， 空穴和電子向低溫端擴散，從而在高、低溫兩端形成電勢差.將許多對P型和N型熱電轉換材料連接起來組成模塊， 就可得到足夠高的電壓， 形成一個溫差發電機.

圖2

3 溫差發電結構

溫差發電主要由導熱金屬架、半導體制冷芯片、微型電機等材料組成.其中半導體制冷芯片，不僅具有N型和P型半導體特性，而且根據需要摻入雜質可改變半導體的溫差電動率、導電率和導熱率.目前國內大多數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，采取垂直區熔法提取晶體材料.當一塊N型半導體材料與一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，其吸熱、放熱的大小取決于電流的大小及半導體材料N,P的元件對數.半導體制冷芯片的反向使用就是溫差發電，它一般采用中低溫區發電(低溫一般為20℃，高溫在95℃).

安裝時，需要在半導體制冷芯片及接觸黃銅板涂上一些導熱硅脂，使它們受熱快且均勻，將兩黃銅板對稱安裝成為溫差發電裝置.需要發電時，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能大，自由電子便從高溫處向低溫處擴散，在低溫處堆積起來，因此,在導體內形成電場，在兩金屬片形成電勢差.從而驅使電機運行，實現了熱能轉化為電能，再轉化為機械能的能量轉化過程.

4 實驗數據

首先,將溫差發電裝置放在冷水杯與熱水杯中，用數字溫度計先測出冷水的溫度，記錄數據，再將數字溫度計探針上的水珠擦干后放入熱水中，每隔30 s測一次熱水的溫度，及時記錄數據；其次，將數字電壓表調到直流擋，將其表筆連接半導體的兩接線處，同時測量半導體輸出電壓，記錄其輸出電壓.將測量出熱水水溫與對應的電壓填入表格中，如果還能將這些數據用坐標描繪出對應圖像就更好.筆者測了一組熱水溫度變化與輸出電壓的數據，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

實驗結果說明，水的溫差與發電機輸出的電壓大體上成正比.

5 溫差發電運用

溫差發電運用在軍事與航天、遠離城市的邊遠地區及海上作業平臺等特殊的場合已得到高度重視.

(1)軍用發電機.其特點為無噪音、高度可靠，且燃料適應性廣.500 W溫差發電機質量輕，維護容易，工作溫度范圍在-31°C～+51°C.

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

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

(4)工業廢(氣)熱發電.工業廢(氣)熱不僅過量地消耗資源，而且對環境污染嚴重，在內燃機、汽輪機等熱機中燃料所產生能量的50%以上都被浪費，在鋼鐵工業、水泥工業、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，許多發達國家都在積極研究溫差發電材料與技術.

(5)太空探索.對于遙遠的太空探測器，放射性同位素供熱的溫差發電器是目前唯一的供電系統，它們已成功地用于美國宇航局發射的“旅行者一號探測器”“伽利略火星探測器”上.

目前溫差發電效率還是很低，但作為一種對環境友好的節能技術，它將在人類21世紀新能源技術方面具有十分重要的價值，在以上領域和其他科研領域具有潛在的應用價值.通過實驗的演示，學生更能理解能量轉化規律.