熱功電轉化演示實驗裝置的設計與制作

熱 功 電轉化演示實驗裝置的設計與制作

李嘉珣齊曉環

(河北衡水中學河北 衡水053000)

摘 要：以斯特林熱機為核心，設計制作了“熱—功—電轉化演示實驗裝置”,主要由熱能采集、熱-功轉化和直流發電模塊構成.本裝置以可燃氣體和集熱太陽能作為熱源，采用雙軸自動追光電路配合電機，實現了對太陽的追光聚熱；經動力機構、換熱器、傳動機構實現了“熱—功”轉化，再經直流發電機、蓄電池和LED燈珠完成“功—電”轉化演示.本裝置用于物理演示實驗教學，可直觀展現追光集熱、斯特林熱機做功、直流發電和LED發光顯示，以及不同形式能量之間的相互轉化過程.

關鍵詞：太陽能集熱菲涅爾透鏡斯特林熱機熱、功、電轉化

收稿日期：(2015-03-26)

1引言

物理演示儀器對于學習物理知識有著深刻的意義，通過對物理現象、過程的觀察和探究，既可以幫助學生理解物理概念、原理，還可以提高學生的學習興趣，激發他們的探索熱情和創新意識.熱、功、電分屬物理學的熱學、力學和電學課程，做功和傳熱是熱力學系統與外界之間傳遞能量的兩種方式，功和熱屬于過程量，而能屬于狀態量.在廣義力的作用下，有廣義位移時，就發生了某種類型的做功過程(機械功、流體體積變化做功、電流做功、磁力做功……)，在做功過程中，外界與系統之間交換能量，從而引起系統狀態的變化.傳熱是由溫度差引起的，通過分子之間的相互碰撞來實現，直接結果是改變系統的內能.這些抽象的概念和過程能否直觀展示呢？

我們開展了本設計研究.

2設計原理

2.1斯特林熱機循環過程

斯特林熱機是一種常見的熱機(系統結構示意圖見圖1)，內部循環過程稱為斯特林循環，如圖2所示.

圖1　斯特林發動機循環系統示意圖

圖2　斯特林循環過程

斯特林循環由 2 個等溫過程和2個等容過程組成，1-2為等溫壓縮過程，工作物質被等溫冷卻收縮，熱量在Tmin溫度下從工作氣體傳遞給外部低溫熱源；2-3為等容回熱過程，工作物質等容吸熱升溫，熱量從回熱器傳遞給工作氣體；3-4為等溫膨脹過程，工作物質等溫吸熱膨脹，熱量在Tmax溫度下從外部熱源傳遞給工作氣體；4-1也是等容回熱過程，工作物質等容冷卻降溫，熱量從工作氣體傳遞給回熱器.

2.2 菲涅爾透鏡

菲涅爾透鏡表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線.其原理是基于菲涅爾波帶片，菲涅爾波帶片具有類似透鏡的作用，它可以使入射光匯聚起來，產生極大的光強，聚焦示意圖見圖3.

圖3　菲涅爾波帶聚焦示意圖

2.3直流發電

當導體在磁場中做“切割”磁感線的運動時，導體內的載流子將以同樣的速度運動，磁場對運動電荷產生洛倫茲力，使導體兩端產生一定的電位差，即導體中產生感應電動勢.直流發電機工作原理示意圖見圖4.

圖4　直流發電原理示意圖

3熱 功 電轉化演示實驗裝置設計

本演示裝置包括熱能采集模塊、熱-功轉化模塊和直流發電演示模塊，原理框圖見圖5，整機結構示意圖見圖6.

圖5　原理結構框圖

圖6　熱功電整機裝置示意圖

3.1熱能采集模塊

熱能采集分為兩種方式.一種是化學燃料加熱，即利用可調、防風噴槍式打火機對熱機的換熱器直接加熱.另一種是采用菲涅爾透鏡將太陽光聚焦到換熱器上，在透鏡四邊框的中央分別放置一個同型號光敏電阻傳感器，與LM324四路運放相連，構成兩個電壓比較電路(見圖7).

圖7　太陽光追光控制電路圖

根據感受光強的不同，分別驅動控制左右向和前后向轉動電機的工作，帶動整體裝置沿兩個自由度轉動，實現對太陽光自動追光集熱.

3.2熱-功轉化模塊

熱功轉化模塊主要包括換熱器、傳動機構、動力機構3部分，動力機構和換熱器均固定在固定支架上，整體結構圖見圖8.

圖8　熱-功轉化模塊示意圖

(1)換熱器

換熱器結構示意圖見圖9，換熱氣缸采用耐高溫玻璃氣缸(容積為6.24 mL，直徑為13 mm，長50 mm)，固定在固定座上，通過膠圈進行密封，在其受熱端套裝金屬均熱帽，有效防止局部高溫引起氣缸炸裂；置換器活塞采用合金制成，以便對熱量進行采集，置換器軸使用不銹鋼(Φ3 mm)黃銅管，兩者摩擦配合來保持其密封性.

圖9　換熱器結構示意圖

(2)傳動機構

傳動機構結構示意圖見圖10，大輪直徑為5.5 cm，小輪直徑為2.4 cm，大小飛輪通過螺絲固定在軸承上，相位角相差90°，連桿由厚2 mm 的鋁合金扁桿制成，要盡量減小動力活塞及置換器軸密封的側推力，由曲柄半徑來選取連桿的長度(連桿/曲柄半徑=5～36 cm).此外，曲柄部分及活塞等可動部分，采用小型軸承來減小摩擦損失.

圖10　傳動機構示意圖

(3)動力機構

動力機構結構示意圖見圖11，動力氣缸(外徑30 mm，內徑26 mm,長35 mm)采用耐高溫玻璃氣缸，有良好的絕熱性，固定在固定座上，與底座之間通過膠圈進行密封，動力活塞(外徑25 mm，內徑22 mm)與動力氣缸之間用潤滑油密封良好，動力氣缸通過連通氣孔與換熱器進行氣體交換.

圖11　動力氣缸結構示意圖

3.3直流發電演示模塊

直流發電裝置結構示意圖見圖12，用橡膠皮帶使小飛輪與小型直流發電機相連，當熱機開始工作時，飛輪通過橡膠皮帶可以帶動發電機進行運轉，實現功到電的相互轉化.發電機與小型蓄電池相連，對發出的電能進行儲存，同時給小功率LED供電，使其正常發光，直觀地演示了功到電的轉化過程.

圖12　發電模塊結構示意圖

3.4樣機設計

遵循科學對稱布局，結構嚴謹，整體優化的思想，整體使用鋁型材支架結構，裝置左側和前側各有一個轉動電機，聚乙烯板上置有噴槍式打火機、熱機、控制電路和直流發電演示裝置.整機見圖13.

圖13　熱功電整機裝置圖

4結束語

本裝置提供了化學燃料加熱和菲涅爾透鏡自動追光集熱兩種加熱方式，保證了裝置能夠全天候使用.用斯特林熱機演示了“熱—功”轉化，經傳動機構帶動直流發電機發電，再經蓄電池和LED燈珠演示了“功—電”轉化.本裝置可用于物理演示實驗教學，通過形象、直觀的“熱-功-電”轉化過程的觀測，可加深學生對太陽能光熱、菲涅爾透鏡集熱、熱敏電阻傳感器、斯特林熱機做功、導體切割磁感線產生動生電動勢、蓄電池儲能、LED發光顯示以及不同形式能量之間相互轉化過程等知識點的認識、理解.

致射：本文是在河北省物理實驗教學示范中心的大力支持下完成的，在此對該中心楊景發等老師表示感謝.

參 考 文 獻

1劉祖平.一種跟蹤和聚光的全新理論——陳應天在太陽能利用研究領域的重大創新.中國科學技術大學學報，2006,36(12):1 245～1 256

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3張蘭，嚴惠民，施博煊，等.菲涅爾透鏡對平行光的成像特性分析.光學儀器，2000,22(1):15～20

4陳剛.斯特林發動機及其在我國的應用前景.農業工程學報,1993,9(增刊):126～129

5吳丹妮.斯特林發動機的循環分析和計算.湛江海洋大學水產學院，1997,17(2):36～40

6朱煒鋒,張宇祥，王文靜.采用滯環比較法實現太陽能電池的最大功率追蹤.現代電子技術,2006,229(14):27～28

7王科,崔文智,李隆鍵,等.聚光型太陽能電熱聯用系統研究進展.太陽能,2007,124(8):27～32

Designing and Making on Demonstration Experimental

Apparatus for Heat, Work and Electricity Transformation

Li JiaxunQi Xiaohuan

(Hengshui High School, Hengshui , Hebei053000)

Abstract:Centered on Sterling engine, "heat-power-electricity conversion demonstration experiment device was designed, which " is mainly composed of a heat collection, heat-power conversion and DC generation modules. The heat collecting solar energy and the combustible gas are used as heat source, the designed biaxial and auto-tracking light circuit combined with the motor can track the sun′s light and accumulate heat ; The power mechanism, heat exchanger and a transmission mechanism can achieve the "heat power conversion", and then DC generator, battery and the LED lamps can demonstrate complete the "power -electricity" conversion.The device has practical significance, which is used for teaching physics demonstration experiment, and it can directly show the light collector, Stirling engine work, DC power and LED light-emitting display and the energy conversion process between different forms .

Key words:solar heat colleting; finel lens; stirling engine;heat, work, electricity transformation