CN109272835A - 温差发电实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温差发电实验装置，由下至上依次包括：加热装置、温差电池以及水冷循环装置。本发明的温差发电实验装置，利用温控探头、温控表和固态继电器对温差发电片上、下两侧的温度进行精确的控制，使温差发电片上、下两侧的温度保持稳定，减少了散热，提高了测量精度。本发明的温差发电实验装置，通过水冷循环系统维持温差发电片的冷端低温恒定，通过隔热保温石棉材料来减小温差发电片热端的温度散失。实验装置升温快，温差测量准确，适合于大学物理实验的教学使用。
Description
技术领域
本发明涉及温差发电技术领域，特别涉及一种温差发电实验装置。
背景技术
温差发电是一种利用热能发电的技术，其可以将热能直接转化为电能。与主流发电方式不同，温差发电无废弃物排放，无噪声，工作安全可靠稳定，是一种进行热能回收和再利用的方式。但长期以来，温差发电技术的应用一直局限在高科技和军事、航天领域。
在当前的大学物理实验教学中，现有的实验装置结构复杂，操作繁琐，不利于学生观察温差发电现象和掌握温差发电的基本原理。至今一直没有出现一种可以清楚、直观的表现温差发电基本原理的实验装置。
发明内容
本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种清楚、直观的表现温差发电基本原理的温差发电实验装置。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种温差发电实验装置，由下至上依次包括：加热装置、温差电池以及水冷循环装置；
所述加热装置包括：加热本体，设置在所述加热本体上表面的第一温控探头，与所述第一温控探头相连接的第一温控表，以及与所述第一温控表相连接的固态继电器；所述加热本体可以在工作时升温，所述第一温控探头可以检测所述加热本体上表面的温度，所述第一温控表可显示所述第一温控探头探测到的温度；所述固态继电器可根据所述第一温控表显示的温度控制所述加热本体启动和/或停止工作；
所述温差电池包括：温差发电片，设置在所述温差发电片下表面的第一导热铝板，设置在所述温差发电片上表面的第二导热铝板，以及设置在所述第一导热铝板和所述加热本体周围的插槽保温层；所述温差发电片可在其上、下表面有温度差时输出电流，所述插槽保温层可对所述第一导热铝板和所述加热本体进行保温；
所述水冷循环装置包括：密闭的水冷块，设置在所述水冷块下表面的第二温控探头，与所述第二温控探头相连接的第二温控表，以及水泵；所述水泵可使所述水冷块内的水冷液循环流动，所述第二温控探头可以检测所述水冷块下表面的温度，所述第二温控表可显示所述第二温控探头探测到的温度；
该温差发电实验装置还包括夹紧装置，所述夹紧装置可将所述加热本体，第一导热铝板，所述温差发电片，第二导热铝板以及所述水冷块夹在一起。
在上述技术方案中，所述温差发电片为F40550或SP1848-27145型号。
在上述技术方案中，所述第一导热铝板和所述第二导热铝板的厚度分别为3mm。
在上述技术方案中，所述第一导热铝板与所述加热本体上表面之间设有导热硅脂；所述第二导热铝板与所述水冷块下表面之间设有导热硅脂。
在上述技术方案中，所述加热本体为电加热板。
在上述技术方案中，所述第一温控表和所述第二温控表分别为智能数显温度调节仪。
在上述技术方案中，所述插槽保温层为隔热保温石棉材料。
在上述技术方案中，所述夹紧装置为电木板材料。
在上述技术方案中，所述加热本体的供电电路上设有变压装置和电流表，所述变压装置调节所述加热本体的工作电压进而调节加热本体电流，用电流表显示电流数值。
本发明具有以下的有益效果：
本发明的温差发电实验装置，利用温控探头、温控表和固态继电器对温差发电片上、下两侧的温度进行精确的控制，使温差发电片上、下两侧的温度保持稳定，减少了散热，提高了测量精度。
本发明的温差发电实验装置，通过水冷循环系统维持温差发电片的冷端低温恒定，通过隔热保温石棉材料来减小温差发电片热端的温度散失。实验装置升温快，温差测量准确，适合于大学物理实验的教学使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的温差发电实验装置的电路结构示意图。
图2为本发明的温差发电实验装置的结构示意图。
图中的附图标记表示为：
1-加热装置；2-温差电池；3-水冷循环装置；11-第一温控探头；12-第一温控表；13-固态继电器；14-加热本体；21-第一导热铝板；22-温差发电片；23-第二导热铝板；24-插槽保温层；31-第二温控探头；32-第二温控表；33-水泵；34-水冷块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以详细说明。
如图1和2所示，本发明的温差发电实验装置由下至上依次包括：加热装置1、温差电池2，以及水冷循环装置3；其中：
加热装置1包括：加热本体14，其为电加热板；设置在电加热板上表面的第一温控探头11；与第一温控探头11相连接的第一温控表12；以及与第一温控表12相连接的固态继电器13。电加热板可以在启动工作时升温，第一温控探头11可以检测电加热板上表面的温度，第一温控表12可接收第一温控探头11探测到的温度信号；第一温控表12可根据所述第一温控探头11探测到的温度控制所述固态继电器13启动和/或停止工作，进而控制加热本体14启动和/或停止工作。如图1所示，加热本体14的供电电路上设有调压器和电流表，该调压器可调整加热本体14的工作电压，从而调节电流表显示的电流数值，防止加热时因电流过大或过小而使加热温度不稳定、不均匀。
温差电池2包括：温差发电片22，设置在温差发电片22下表面的第一导热铝板21，设置在温差发电片22上表面的第二导热铝板23，以及设置在第一导热铝板21和电加热板周围的插槽保温层24；温差发电片22可在其上、下表面有温度差时输出电流，插槽保温层24可对第一导热铝板21和电加热板进行保温；插槽保温层24为隔热保温石棉材料。
水冷循环装置3包括：密闭的水冷块34，设置在水冷块34下表面的第二温控探头31，与第二温控探头31相连接的第二温控表32，水泵33，以及与水泵33连通的水箱；水箱和水冷块34内分别装着水冷液，水泵33可使水箱和水冷块34内的水冷液循环流动，第二温控探头31可以检测水冷块34下表面的温度，第二温控表32可显示第二温控探头31探测到的温度。
本发明的温差发电实验装置还包括夹紧装置，其未在附图中示出，该夹紧装置为电木板材料，其可将加热本体14即电加热板，第一导热铝板21，温差发电片22，第二导热铝板23以及水冷块34夹在一起；使得第一导热铝板21与电加热板上表面紧密接触，第二导热铝板23与水冷块34的下表面紧密接触。
第一导热铝板21和第二导热铝板23的厚度分别为3mm。第一导热铝板21与电加热板上表面之间，第二导热铝板23与水冷块34下表面之间，分别设有导热硅脂(热传递系数大于0.965)。第一温控表12和第二温控表32分别为智能数显温度调节仪。温差发电片22为F40550型号的温差发电片。在其他的具体实施方式中，温差发电片22也可以采用SP1848-27145型号的温差发电片。
本发明的温差发电实验装置中，采用电加热板作为加热装置的加热本体。该电加热板具有恒温发热、无明火、热电转换率高、受电源电压影响小、自然寿命长的特点。电加热板有不同的外形结构和不同规格，根据实际情况本发明的实验装置采用方形，最高可提供600K以上的温度。
本发明采用两种型号的不同发电程度的温差发电片，由于温差发电片热面陶瓷和冷面陶瓷之间距离很小，为了固定温差发电片以及减少冷热面的热传递，本发明在温差发电片的冷、热端分别加上一块导热铝板，经过铝板传递的热量在达到温差发电片冷、热面的时候的温度能比较均匀。
本发明的温差发电实验装置中，用来散热的水冷循环装置对温差发电器件来说至关重要。温差电池在工作运行中，热量通过热传递传送到另一表面，热量的积累导致冷端温度升高，其后果是减少冷热两端的温差，直接影响发电效率。因此，为了使冷端获得相对低温的环境，就需要把热端传递过来的热量及时的排放出去。本实验中温差发电片冷端采用水冷循环装置进行冷却，通过水泵使冷却液循环流动来降低冷端温度。
本发明的温差发电实验装置中，温差发电片的冷、热两端分别放置一个温控探头，其中，热端的第一温控探头把加热装置的温度值传输至第一温控表作为输入信号，然后第一温控表控制固态继电器工作，进而确定所需要的加热电路的开通度(占空比，从而维持加热模块处于设定的温度)。冷端的温度通过第二温度探头反馈到第二温控表，即智能数显温度仪上。将显示的热端温度与冷端温度做差，即为发电片两端的温差。本发明利用两个温控探头实现了温差发电片冷、热两端的温差测量与温差控制。
本发明的温差发电实验装置中，温差发电片的热端是由电加热板放在导热铝板上面进行加热然后由导热铝板进行热传递进行加热的。而电加热板会向四周进行辐射，不采取保温措施的话，电加热板热辐射这部分的热量损失会很大，温差发电片得到的热量就会很小。所以在电加热板和导热铝板外围加上保温层才能保证热量大部分被温差发电片热端使用。本发明采用的插槽保温层是半导体制冷片专用隔热保温石棉。具体设计是在隔热保温石棉上挖出一个槽，将作为加热器的电加热板充分的嵌入中间。
本发明利用电木板作为夹紧装置将电加热板，第一导热铝板，温差发电片，第二导热铝板以及水冷块夹在一起。夹紧装置还可使隔热保温石棉紧紧包覆在第一导热铝板和电加热板的外围；夹紧装置可使电加热板，第一导热铝板，温差发电片，第二导热铝板以及水冷块紧密接触，相互之间的热传递良好。
本发明的温差发电实验装置的实验过程如下：
将变阻器(调压器)、电流表、电压表接入回路，构成测量电路，通过测量不同温差发电片在几种温差条件下的开路电压、短路电流和伏安特性，来研究温差电池的性能。具体操作步骤如下：
步骤1、接通电源，设置目标温差，调节加热电压，开始加热。在等待加热过程中，将温差电池输出端与单刀双掷开关，电流表相连。当温差达到预定值时，接通开关，测量短路电流。当指针稳定后，记录电流值。
步骤2、将温差电池输出端与单刀双掷开关，电压表相连。当温差达到预定值时，接通开关，测量开路电压。当指针稳定后，记录电压值。
步骤3、将温差电池输出端与单刀双掷开关，电流表，变阻箱串联，将电压表与变阻箱并联，构成回路。当温差达到预定值时，调节变阻箱阻值为1Ω，接通开关，当电流表和电压表指针稳定后，记录电流值和电压值。
步骤4、改变变阻箱阻值，重复步骤3，记录相应电流值和电压值，并绘制相应伏安特性曲线和输出功率曲线。
通过分析电流和电压曲线图得出结论：负载一定的情况下，随着温差发电片两端温差的扩大，负载电压越来越大，而且折线上升的趋势很相似，当负载超过1000Ω后，上升趋势减小，电压趋近最大值。温度一定的情况下，随着负载的升高，负载两端的电压升高，这是欧姆定律的体现，在此不做过多阐述。当负载一定时，随着温差发电片两端温差的扩大，通过负载的电流增大，即电路中的电流也增高。当温差一定时，根据欧姆定律，电流随电阻升高而减小。
根据电流曲线图和电压曲线图，根据P＝U*I(功率＝电压*电流)，可以得出两种温差发电片的负载电阻电压效应曲线。在温差一定的条件下，功率先升后降，温差发电片大约在8～12Ω负载电阻时，功率达到最大值。由此，可以估算出，温差发电片的内阻大约为8～12Ω。当负载和电源内阻相等时，负载功率最大。这是因为：
设电源电动势为E，内阻为r，负载为R，则：
由于(仅当r＝R时取等号)，
所以：输出效率
于是得到，R＝r时，电源的输出功率最大。
这是因为，从数学角度来看：r为常数，所以等式右边是一个关于R的对勾函数；显然当R2＝r2，即R＝r时右边最小，
当负载一定时，随着温差发电片两端温差的扩大，通过负载的电流增大，即电路中的电流也增高。当温差一定时，根据欧姆定律，电流随电阻升高而减小，当负载和电源内阻相等时，负载功率最大。
本发明的温差发电实验装置，利用温控探头、温控表和固态继电器对温差发电片上、下两侧的温度进行精确的控制，使温差发电片上、下两侧的温度保持稳定，减少了散热，提高了测量精度。
本发明的温差发电实验装置，通过水冷循环系统维持温差发电片的冷端低温恒定，通过隔热保温石棉材料来减小温差发电片热端的温度散失。实验装置升温快，温差测量准确，适合于大学物理实验的教学使用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种温差发电实验装置，其特征在于，由下至上依次包括：加热装置(1)、温差电池(2)，以及水冷循环装置(3)；
所述加热装置(1)包括：加热本体(14)，设置在所述加热本体(14)上表面的第一温控探头(11)，与所述第一温控探头(11)相连接的第一温控表(12)，以及与所述第一温控表(12)相连接的固态继电器(13)；所述加热本体(14)可以在工作时升温，所述第一温控探头(11)可以检测所述加热本体(14)上表面的温度，所述第一温控表(12)可接收所述第一温控探头(11)探测到的温度信号；所述第一温控表(12)可根据所述第一温控探头(11)探测到的温度控制所述固态继电器(13)启动和/或停止工作，进而控制所述加热本体(14)启动和/或停止工作；
所述温差电池(2)包括：温差发电片(22)，设置在所述温差发电片(22)下表面的第一导热铝板(21)，设置在所述温差发电片(22)上表面的第二导热铝板(23)，以及设置在所述第一导热铝板(21)和所述加热本体(14)周围的插槽保温层(24)；所述温差发电片(22)可在其上、下表面有温度差时输出电流，所述插槽保温层(24)可对所述第一导热铝板(21)和所述加热本体(14)进行保温；
所述水冷循环装置(3)包括：密闭的水冷块(34)，设置在所述水冷块(34)下表面的第二温控探头(31)，与所述第二温控探头(31)相连接的第二温控表(32)，以及水泵(33)；所述水泵(33)可使所述水冷块(34)内的水冷液循环流动，所述第二温控探头(31)可以检测所述水冷块(34)下表面的温度，所述第二温控表(32)可显示所述第二温控探头(31)探测到的温度；
该温差发电实验装置还包括夹紧装置，所述夹紧装置可将所述加热本体(14)，第一导热铝板(21)，所述温差发电片(22)，第二导热铝板(23)以及所述水冷块(34)夹在一起。
2.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述温差发电片(22)为F40550或SP1848-27145型号。
3.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述第一导热铝板(21)和所述第二导热铝板(23)的厚度分别为3mm。
4.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述第一导热铝板(21)与所述加热本体(14)上表面之间，所述第一导热铝板(21)与所述温差发电片(22)的下表面之间，所述第二导热铝板(23)与所述水冷块(34)下表面之间，所述第二导热铝板(23)与所述温差发电片(22)的上表面之间，分别设有导热硅脂。
5.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述加热本体(14)为电加热板。
6.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述第一温控表(12)和所述第二温控表(32)分别为智能数显温度调节仪。
7.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述插槽保温层(24)为隔热保温石棉材料。
8.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述夹紧装置为电木板材料。
9.根据权利要求1所述的温差发电实验装置，其特征在于，所述加热本体(14)的供电电路上设有变压装置和电流表，所述变压装置调节所述加热本体(14)的工作电压进而调节加热本体电流，用电流表显示电流数值。
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