1、自制蠟燭發(fā)電裝置的效率研究 學(xué) 院：物理電子工程學(xué)院 專 業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 生：陳 凱 劉 昌 戴向陽 指導(dǎo)老師：李保春摘 要自制的發(fā)電裝置是基于塞貝克效應(yīng)的一種將蠟燭火焰的熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。其核心器件是型號為SP1848-27145的半導(dǎo)體溫差片。本文主要用瞬時輸出功率，輸出總電量和平均效率這3個參數(shù)對裝置的發(fā)電過程進(jìn)行分析。并改變冷源溫度，冷端降溫方式及冷端接觸材料進(jìn)行實(shí)驗對比，以尋求最佳的發(fā)電裝置。在發(fā)電過程中，溫差片兩端的溫差不斷增大，發(fā)電量在增大，最后達(dá)到相對穩(wěn)定，因此考慮此過程中平均發(fā)電效率是必要的。在考慮發(fā)電效率時，本文并未考慮蠟燭熱能在空氣里的耗散，且假設(shè)蠟燭傳

2、遞給溫差片熱端的能量是恒定的，由此避免了對蠟燭能量的計算，而僅將蠟燭燃燒時間作為蠟燭消耗能量的量度即可。對于溫差片，本文首先推導(dǎo)出溫差片的工作效率在溫差一定時，熱端溫度越高，效率越低的特點(diǎn)，并在后續(xù)的實(shí)驗分析中加以驗證。最后，由于對實(shí)驗中冷端降溫難度大的體驗，本文在該裝置的基礎(chǔ)上設(shè)想了2級甚至多級發(fā)電模塊，以解決該問題，提高能量利用效率。另外，外接電阻也對瞬時輸出功率，平均效率，輸出總能量有影響，本次并未做相應(yīng)的對比實(shí)驗，只是推導(dǎo)出最大輸出功率對應(yīng)的外接電阻。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，瞬時輸出功率，輸出總電量，平均效率，多級發(fā)電模塊一熱電基本效應(yīng)熱電效應(yīng)是基于塞貝克效應(yīng)，帕爾帖效應(yīng)和湯姆孫效應(yīng)

3、三個效應(yīng)的一個總稱，本實(shí)驗核心器件溫差片就是基于這三個效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能向電能轉(zhuǎn)化的。1. 塞貝克效應(yīng) 導(dǎo)體A和B兩端相互緊密接觸組成環(huán)路。若在兩連接處保持不同溫度T1和T2，則在環(huán)路中將由于溫度差而產(chǎn)生溫差電動勢。即。其中為相對塞貝克系數(shù)。2. 帕爾貼效應(yīng)帕爾帖效應(yīng)是與賽貝克效應(yīng)相反的現(xiàn)象。即若在上述導(dǎo)體兩端施加一個電動勢，在A，B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的回路中將會有電流流過，同時還將伴隨著在兩導(dǎo)體的其中一個接頭處出現(xiàn)吸熱，而在另一個接頭處發(fā)生放熱的現(xiàn)象。放熱（或吸熱）速率為，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，。式中的為比例常數(shù)，定義為帕爾貼系數(shù)。3. 湯姆孫效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)與上述兩個效應(yīng)的不同之處在于，上述兩個效應(yīng)都涉及到由兩中不

4、同金屬組成的回路。然而，湯姆遜效應(yīng)則是存在于單一均勻?qū)w的熱電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。假設(shè)流過一個均勻?qū)w的電流為，施加于電流方向上的溫差為，則在這段導(dǎo)體上的吸（放）熱速率為。式中為比例常數(shù)，定義為湯姆遜系數(shù)。2 溫差發(fā)電片工作效率的推導(dǎo) 該圖是溫差片中的一個半導(dǎo)體元件。工作溫差為,熱面與冷面的溫度分別為和、和分別是高低溫?zé)嵩吹臏囟?。發(fā)電器從高溫?zé)嵩次諢崃?，同時將熱量放給低溫冷源。這樣就在半導(dǎo)體器兩端形成了一個溫度差，由于溫差的存在，元件內(nèi)部產(chǎn)生漏熱，并且由電流產(chǎn)生焦耳熱，同時還因珀爾帖效應(yīng)而在發(fā)電器熱端和冷端分別產(chǎn)生熱量。當(dāng)塞貝克系數(shù)視為與溫度無關(guān)時，由湯姆遜系數(shù)的定義式可知湯姆遜熱為零。因此在接下來的

5、分析中就不考慮湯姆遜效應(yīng)了。 上圖可視為為工作于高溫?zé)嵩春偷蜏乩湓撮g的熱機(jī)，內(nèi)外電流及熱量均不可逆。由熱源、發(fā)電器件、散熱組件組成，熱源周圍是隔熱保溫材料。冷端處外接散熱器以保持冷端的溫度從而保證整體發(fā)電器的溫差。在半導(dǎo)體熱電器件中，假定每個半導(dǎo)體臂除了與冷熱端面有熱量、電的交換外，與周圍環(huán)境是絕緣、絕熱的。在熱電器件內(nèi)部的不可逆過程是由器件內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱以及從熱端傳到冷端過程中的熱損失所造成的。在對于簡化的單體研究中，熱端從熱源吸收的熱量是珀爾帖熱，焦耳熱和傳導(dǎo)熱三部分的總和。將傳到器件熱端的熱量計為，冷端傳出的熱量計為,則 式中表示兩種材料的相對賽貝克系數(shù)。第一項為帕爾帖熱，第二項為焦耳

6、熱，第三項為傳導(dǎo)熱。其中，焦耳熱產(chǎn)生以后陽兩端散熱，每一端散熱量為，為熱電器什的總內(nèi)阻，為熱電耦產(chǎn)生的電流。熱電器件工作時產(chǎn)生的熱損失為，為半導(dǎo)體熱電偶的熱導(dǎo)率。對于整體熱電器件而言，它由n個單體構(gòu)成，整個器件的端面面積為A，冷、熱端總的熱量為： 對與整體器件而言，熱電轉(zhuǎn)換效為，則由上述各式再聯(lián)合邊界條件和，可算得從該式可以看出當(dāng)溫差一定時，溫差片熱端溫度越高，它的工作效率反而越低。這一點(diǎn)也將在后面的實(shí)驗分析中得到驗證。3 實(shí)驗數(shù)據(jù)分析第一組，冷端接觸材料為保鮮膜，冷源為冰水，攪拌。熱端溫度/5.000 15.000 25.000 35.000 40.000 45.000 48.000 50.

7、000 冷端溫度/3.000 4.000 7.000 10.000 13.000 16.000 18.000 21.000 電壓/V0.070 0.430 0.730 1.050 1.240 1.390 1.500 1.550 電流/mA0.100 0.670 1.130 1.630 1.920 2.170 2.310 2.420 時間/min0.000 0.400 0.617 1.217 1.733 2.850 4.433 5.117 功率0.007 0.288 0.825 1.712 2.381 3.016 3.465 3.751 輸出能量0.000 0.050 0.167 0.928 2

8、.003 5.043 10.224 12.511 效率0.000 0.124 0.271 0.762 1.156 1.770 2.306 2.445 熱端溫度/50.000 50.000 冷端溫度/21.000 21.000 電壓/V1.550 1.550 電流/mA2.420 2.420 時間/min6.117 8.000 功率3.751 3.751 輸出能量16.262 23.325 效率2.658 2.916 第二組，冷端接觸材料為保鮮膜，冷源為冰水，未攪拌。時間/min0.000 0.217 0.450 0.767 1.000 1.250 1.600 2.033 電壓/V0.000 0

9、.570 0.730 0.880 0.980 1.080 1.210 1.410 電流/mA0.000 0.880 1.140 1.360 1.520 1.680 1.880 2.190 熱端溫度/8.000 25.000 35.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000 冷端溫度/8.000 6.000 10.000 15.000 18.000 21.000 23.000 26.000 功率0.000 0.502 0.832 1.197 1.490 1.814 2.275 3.088 輸出能量0.000 0.073 0.218 0.527 0.837 1.2

10、47 1.955 3.049 平均功率0.000 0.334 0.484 0.687 0.837 0.997 1.222 1.500 時間/min2.833 6.117 8.000 電壓/V1.520 1.520 1.520 電流/mA2.360 2.360 2.360 熱端溫度/70.000 71.000 71.000 冷端溫度/27.000 31.000 31.000 功率3.587 3.587 3.587 輸出能量5.704 17.484 24.239 平均功率2.013 2.858 3.030 第三組，冷端接觸材料為保鮮膜，冷源為涼水，未攪拌。時間/min0.000 0.083 0.3

11、33 0.666 1.133 2.083 2.650 3.517 電壓/V0.000 0.130 0.240 0.340 0.450 0.570 0.700 0.810 電流/mA0.000 0.200 0.370 0.530 0.690 0.880 1.080 1.260 熱端溫度/20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 冷端溫度/20.000 21.000 22.000 24.000 25.000 27.000 28.000 30.000 功率0.000 0.026 0.089 0.180 0.311 0.502 0.

12、756 1.021 輸出能量0.000 0.001 0.017 0.066 0.177 0.575 0.949 1.768 平均功率0.000 0.011 0.052 0.098 0.157 0.276 0.358 0.503 時間/min4.750 5.833 6.750 電壓/V0.930 1.000 1.030 電流/mA1.450 1.560 1.600 熱端溫度/60.000 63.000 65.000 冷端溫度/32.000 34.000 35.000 功率1.349 1.560 1.648 輸出能量3.622 6.421 10.578 平均功率0.763 1.101 1.567

13、第四組，冷端接觸材料為方便帶，冷源為冰水，未攪拌。時間/min0.000 0.067 0.250 0.500 0.817 1.000 1.217 1.567 電壓/V0.050 0.310 0.470 0.570 0.690 0.750 0.910 1.120 電流/mA0.080 0.480 0.730 0.890 1.060 1.170 1.410 1.740 熱端溫度/7.000 15.000 25.000 35.000 45.000 50.000 55.000 60.000 冷端溫度/4.000 5.000 8.000 13.000 18.000 21.000 25.000 29.00

14、0 功率0.004 0.149 0.343 0.507 0.731 0.878 1.283 1.949 輸出能量0.000 0.005 0.059 0.166 0.342 0.490 0.733 1.297 平均功率0.000 0.079 0.234 0.331 0.419 0.490 0.603 0.828 時間/min2.033 2.533 3.733 電壓/V1.210 1.250 1.340 電流/mA1.890 1.960 2.110 熱端溫度/65.000 70.000 75.000 冷端溫度/34.000 38.000 44.000 功率2.287 2.450 2.827 輸出能

15、量2.297 3.489 7.136 平均功率1.130 1.377 1.912 注：每組實(shí)驗數(shù)據(jù)，主要記錄了電壓，電流，溫度的變化，當(dāng)溫差幾乎穩(wěn)定，電流，電壓幾乎不變時，我們即停止記錄。圖表中，蠟燭能量只是用燃燒時間作為量度，所以其值大于1，但這并不影響我們對提高裝置發(fā)電效率的分析。根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)我們分別作出了瞬時功率，輸出總能量，平均效率隨時間的變化圖像進(jìn)行對比。上圖是4組實(shí)驗中瞬時輸出功率的圖像。可以看出，第一，二組實(shí)驗明顯優(yōu)于三，四組實(shí)驗，它們功率增長較快，穩(wěn)定后瞬時功率值較大。對比第一，二組實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，第一組中由于攪拌加快冰水對流，導(dǎo)致溫差變化減慢，過程中瞬時功率低于第二組，但是溫差穩(wěn)定

16、后，熱端溫度相對較低，瞬時功率較大，符合前面的理論推導(dǎo)。關(guān)于輸出能量，如下圖：上圖是四組實(shí)驗中平均效率的圖像?？梢钥闯?，溫差穩(wěn)定之前，第二組的發(fā)電效率是最高的，第一組次之。隨著發(fā)電過程的繼續(xù)，第一組的發(fā)電效率越來越接近第二組，直到溫差穩(wěn)定之前第一組仍然小于第二組。但是由于穩(wěn)定后第一組的瞬時輸出功率大于第二組，因此可以預(yù)見隨著發(fā)電的繼續(xù)，第一組的平均效率勢必大于第二組?？偨Y(jié)：就本發(fā)電裝置而言，冷源選擇溫度更低的冰水，接觸材料選擇導(dǎo)熱效果更好的保鮮膜，發(fā)電更好。但是關(guān)于冷端是否需要攪拌或是流體降溫，則取決與所需要的發(fā)電時間。如果是長時間的穩(wěn)定發(fā)電，選擇流體或是攪拌降溫，平均發(fā)電效率較高。但是如果只需要提供