温差发电实验

彭 晟 陈桂林

(新余市第六中学 江西 新余 338000)

由于自然界的物质是无言的，需要通过实验来实现人与自然的对话，通过实验来揭示自然规律.许多物理问题说不清时，只要做一下实验，学生就容易明白.对于能量转化自然规律，接触最多的是机械能(动能与势能)之间以及电能与热能之间的相互转化，而热能转化电能还是见得少，为此在高中《物理·选修3》“热力学定律”教学过程中，如果能设计一个有趣的实验，将热能转化为电能，那么课堂的教学效果就会更好.笔者设计了一个温差发电实验，以供教师教学参考.

1 温差发电实物图

温差发电实物如图1所示.

图1

2 温差发电的原理

温差发电的原理如图2所示，将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温环境， 另一端置于低温环境.由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下， 空穴和电子向低温端扩散，从而在高、低温两端形成电势差.将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块， 就可得到足够高的电压， 形成一个温差发电机.

图2

3 温差发电结构

温差发电主要由导热金属架、半导体制冷芯片、微型电机等材料组成.其中半导体制冷芯片，不仅具有N型和P型半导体特性，而且根据需要掺入杂质可改变半导体的温差电动率、导电率和导热率.目前国内大多数厂家常用的材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采取垂直区熔法提取晶体材料.当一块N型半导体材料与一块P型半导体材料联结成电偶对时，其吸热、放热的大小取决于电流的大小及半导体材料N,P的元件对数.半导体制冷芯片的反向使用就是温差发电，它一般采用中低温区发电(低温一般为20℃，高温在95℃).

安装时，需要在半导体制冷芯片及接触黄铜板涂上一些导热硅脂，使它们受热快且均匀，将两黄铜板对称安装成为温差发电装置.需要发电时，将两金属板分别放在热水和冷水中，由于两边金属板温度有高低，温度高的金属片的自由电子比温度低的金属片自由电子动能大，自由电子便从高温处向低温处扩散，在低温处堆积起来，因此,在导体内形成电场，在两金属片形成电势差.从而驱使电机运行，实现了热能转化为电能，再转化为机械能的能量转化过程.

4 实验数据

首先,将温差发电装置放在冷水杯与热水杯中，用数字温度计先测出冷水的温度，记录数据，再将数字温度计探针上的水珠擦干后放入热水中，每隔30 s测一次热水的温度，及时记录数据；其次，将数字电压表调到直流挡，将其表笔连接半导体的两接线处，同时测量半导体输出电压，记录其输出电压.将测量出热水水温与对应的电压填入表格中，如果还能将这些数据用坐标描绘出对应图像就更好.笔者测了一组热水温度变化与输出电压的数据，如表1所示，其中冷水温度为20.6℃.

表1 热水温度变化与输出电压关系

热水温度/℃70.870.069.568.668.467.3冷热水温差/℃50.249.448.948.047.846.7电压/V4.254.244.163.913.903.24

实验结果说明，水的温差与发电机输出的电压大体上成正比.

5 温差发电运用

温差发电运用在军事与航天、远离城市的边远地区及海上作业平台等特殊的场合已得到高度重视.

(1)军用发电机.其特点为无噪音、高度可靠，且燃料适应性广.500 W温差发电机质量轻，维护容易，工作温度范围在-31°C～+51°C.

(2)边远高寒地区.可将多个温差发电模块串联放在炉子的顶部和四周，并与变换电路及蓄电池系统相连，基本能保证一个家庭的生活用电.

(3)汽车尾气发电机.日本开发了利用小汽车尾气、废气发电的小型温差发电机，功率为100 W，可节省燃油5%.美国试制用于大货车柴油机尾气系统温差发电机，最大输出功率达1 000 W.

(4)工业废(气)热发电.工业废(气)热不仅过量地消耗资源，而且对环境污染严重，在内燃机、汽轮机等热机中燃料所产生能量的50%以上都被浪费，在钢铁工业、水泥工业、各种气体输送压缩泵站，废热也是巨大的，特别是垃圾焚烧炉的热利用问题，许多发达国家都在积极研究温差发电材料与技术.

(5)太空探索.对于遥远的太空探测器，放射性同位素供热的温差发电器是目前唯一的供电系统，它们已成功地用于美国宇航局发射的“旅行者一号探测器”“伽利略火星探测器”上.

目前温差发电效率还是很低，但作为一种对环境友好的节能技术，它将在人类21世纪新能源技术方面具有十分重要的价值，在以上领域和其他科研领域具有潜在的应用价值.通过实验的演示，学生更能理解能量转化规律.