SP1848温差发电片的实验研究

朱坤博，刘 震，王志军

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

温差发电是一种新型的发电方式，通过温差发电实验研究，不仅可以使学生了解温控的基本原理，又可以让学生将热学实验和电学实验有机地结合起来，接触一些科学前沿领域，在新工科背景下，对理、工科学生的培养具有重要意义。为此，用现在较先进和流行的温控仪表及温控探头进行温度检测和控制温度可精确到0.1°(0.1°左右)，制作出温差发电实验装置，具有设备简单、精度高、可实时进行检测、控制温度，测量结果较精确等特点。

1 原理及实验装置结构介绍

温差发电原理是利用塞贝克效应将热能直接转换为电能[1-3]，产生塞贝克效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。

为拓展当代大学生的实验学习范围，让学生对温差发电技术有一些初步了解，锻炼学生的动手能力，同时激发同学们的学习热情与创新能力，为以后的学习和科研打下良好的基础。对温差发电实验装置进行了设计，其内部结构示意图如图1所示，图2为温差发电实验测量电路图。

图1 温差发电实验装置内部结构示意图

图2 温差发电实验测量电路图

本温差发电演示仪由外置水箱、内置循环水箱、温差发电片组、指示灯、电表、功率调节器、开关、数字温控表、温控探头(PT100)以及电源输出电线组成。实验时还需与电阻箱、电流表、电压表相连以测出相应数据。

2 实验过程及实验数据处理、分析

(1)打开电源总开关，预热5 min后，观测并调节两温控表初始温度与室温相同。

(2)设置温差发电片加热目标温度(温控表1)，使温控表1的目标温度与温控表2的实际温度的差值为10 ℃，打开加热开关进行加热，并调节电流表电流在1.7 A左右。

(3)按图2连接电路，连接电路过程中密切关注两温控表的温度差，待两温控表温度达到稳定的10.00.1 ℃温度差时，如表1调节电阻箱阻值并同时记录电流、电压值。

(4)将温差分别调至20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，重复2、3步，分别将数据结果记入表1中。

从表1中数据看出相同阻值条件下，随着温差的增大，电流、电压及输出功率均逐渐增大，并可得到不同温差下与最大输出功率分别为0.61(负载在11 Ω)、3.34(负载在15 Ω)、6.10(负载在8 Ω)、11.42(负载在15 Ω)、15.60 mW(负载在10 Ω)。

表1 SP1848电池不同温差下的电池输出特性数据

图3为SP1848温差电池输出特性。

(a)电阻电流关系曲线

从图3(a)电阻电流关系曲线中可以看出，输出电流与负载R成反比；从图3(b)电阻电压关系曲线中可以看出输出电压先随负载迅速增大，然后趋于饱和；从图3(c)电阻功率关系曲线中可以看出输出功率先随负载从0迅速增大至最大值，然后逐渐衰减至0；从图3(d)温差功率关系曲线中可以看出最大输出功率随温差呈非线性关系。可近似用以下公式进行模拟：

P=-1.2688+0.1460×Δt+0.0391×Δt2(mW)

(1)

3 结 语

测试结果显示：输出电流与负载R成反比，0～50 Ω区间降速较大；输出电压先随负载(0～50 Ω)迅速增大，然后逐渐趋于饱和；输出功率先随负载从0迅速增大至最大值(负载电阻8～15 Ω区间达到最大值)，然后逐渐衰减至0；最大输出功率随温差呈非线性关系,可用二次函数进行拟合。以上结果表明，所制备的温差发电实验装置数据合理，较为准确，可以运用到实验教学中。