自制蜡烛发电装置的效率研究 学 院：物理电子工程学院 专 业：光信息科学与技术 学 生：陈 凯 刘 昌 戴向阳 指导老师：李保春摘 要自制的发电装置是基于塞贝克效应的一种将蜡烛火焰的热能直接转化为电能的装置其核心器件是型号为SP1848-27145的半导体温差片本文主要用瞬时输出功率，输出总电量和平均效率这3个参数对装置的发电过程进行分析并改变冷源温度，冷端降温方式及冷端接触材料进行实验对比，以寻求最佳的发电装置在发电过程中，温差片两端的温差不断增大，发电量在增大，最后达到相对稳定，因此考虑此过程中平均发电效率是必要的在考虑发电效率时，本文并未考虑蜡烛热能在空气里的耗散，且假设蜡烛传递给温差片热端的能量是恒定的，由此避免了对蜡烛能量的计算，而仅将蜡烛燃烧时间作为蜡烛消耗能量的量度即可对于温差片，本文首先推导出温差片的工作效率在温差一定时，热端温度越高，效率越低的特点，并在后续的实验分析中加以验证。
最后，由于对实验中冷端降温难度大的体验，本文在该装置的基础上设想了2级甚至多级发电模块，以解决该问题，提高能量利用效率另外，外接电阻也对瞬时输出功率，平均效率，输出总能量有影响，本次并未做相应的对比实验，只是推导出最大输出功率对应的外接电阻关键词：半导体温差发电片，瞬时输出功率，输出总电量，平均效率，多级发电模块一．热电基本效应热电效应是基于塞贝克效应，帕尔帖效应和汤姆孙效应三个效应的一个总称，本实验核心器件温差片就是基于这三个效应实现热能向电能转化的1. 塞贝克效应 导体A和B两端相互紧密接触组成环路若在两连接处保持不同温度T1和T2，则在环路中将由于温度差而产生温差电动势其中为相对塞贝克系数2. 帕尔贴效应帕尔帖效应是与赛贝克效应相反的现象即若在上述导体两端施加一个电动势，在A，B两种导体构成的回路中将会有电流流过，同时还将伴随着在两导体的其中一个接头处出现吸热，而在另一个接头处发生放热的现象放热（或吸热）速率为，实验发现，式中的为比例常数，定义为帕尔贴系数3. 汤姆孙效应汤姆逊效应与上述两个效应的不同之处在于，上述两个效应都涉及到由两中不同金属组成的回路然而，汤姆逊效应则是存在于单一均匀导体的热电转化现象。
假设流过一个均匀导体的电流为，施加于电流方向上的温差为，则在这段导体上的吸（放）热速率为式中为比例常数，定义为汤姆逊系数二． 温差发电片工作效率的推导 该图是温差片中的一个半导体元件工作温差为,热面与冷面的温度分别为和、和分别是高低温热源的温度发电器从高温热源吸收热量，同时将热量放给低温冷源这样就在半导体器两端形成了一个温度差，由于温差的存在，元件内部产生漏热，并且由电流产生焦耳热，同时还因珀尔帖效应而在发电器热端和冷端分别产生热量当塞贝克系数视为与温度无关时，由汤姆逊系数的定义式可知汤姆逊热为零因此在接下来的分析中就不考虑汤姆逊效应了 上图可视为为工作于高温热源和低温冷源间的热机，内外电流及热量均不可逆由热源、发电器件、散热组件组成，热源周围是隔热保温材料冷端处外接散热器以保持冷端的温度从而保证整体发电器的温差在半导体热电器件中，假定每个半导体臂除了与冷热端面有热量、电的交换外，与周围环境是绝缘、绝热的在热电器件内部的不可逆过程是由器件内阻产生的焦耳热以及从热端传到冷端过程中的热损失所造成的在对于简化的单体研究中，热端从热源吸收的热量是珀尔帖热，焦耳热和传导热三部分的总和将传到器件热端的热量计为，冷端传出的热量计为,则 式中表示两种材料的相对赛贝克系数。
第一项为帕尔帖热，第二项为焦耳热，第三项为传导热其中，焦耳热产生以后阳两端散热，每一端散热量为，为热电器什的总内阻，为热电耦产生的电流热电器件工作时产生的热损失为，为半导体热电偶的热导率对于整体热电器件而言，它由n个单体构成，整个器件的端面面积为A，冷、热端总的热量为： 对与整体器件而言，热电转换效为，则由上述各式再联合边界条件和，可算得从该式可以看出当温差一定时，温差片热端温度越高，它的工作效率反而越低这一点也将在后面的实验分析中得到验证三． 实验数据分析第一组，冷端接触材料为保鲜膜，冷源为冰水，搅拌热端温度/℃5.000 15.000 25.000 35.000 40.000 45.000 48.000 50.000 冷端温度/℃3.000 4.000 7.000 10.000 13.000 16.000 18.000 21.000 电压/V0.070 0.430 0.730 1.050 1.240 1.390 1.500 1.550 电流/mA0.100 0.670 1.130 1.630 1.920 2.170 2.310 2.420 时间/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 输出能量0.000 0.050 0.167 0.928 2.003 5.043 10.224 12.511 效率0.000 0.124 0.271 0.762 1.156 1.770 2.306 2.445 热端温度/℃50.000 50.000 冷端温度/℃21.000 21.000 电压/V1.550 1.550 电流/mA2.420 2.420 时间/min6.117 8.000 功率3.751 3.751 输出能量16.262 23.325 效率2.658 2.916 第二组，冷端接触材料为保鲜膜，冷源为冰水，未搅拌。
时间/min0.000 0.217 0.450 0.767 1.000 1.250 1.600 2.033 电压/V0.000 0.570 0.730 0.880 0.980 1.080 1.210 1.410 电流/mA0.000 0.880 1.140 1.360 1.520 1.680 1.880 2.190 热端温度/℃8.000 25.000 35.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000 冷端温度/℃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 输出能量0.000 0.073 0.218 0.527 0.837 1.247 1.955 3.049 平均功率0.000 0.334 0.484 0.687 0.837 0.997 1.222 1.500 时间/min2.833 6.117 8.000 电压/V1.520 1.520 1.520 电流/mA2.360 2.360 2.360 热端温度/℃70.000 71.000 71.000 冷端温度/℃27.000 31.000 31.000 功率3.587 3.587 3.587 输出能量5.704 17.484 24.239 平均功率2.013 2.858 3.030 第三组，冷端接触材料为保鲜膜，冷源为凉水，未搅拌。
时间/min0.000 0.083 0.333 0.666 1.133 2.083 2.650 3.517 电压/V0.000 0.130 0.240 0.340 0.450 0.570 0.700 0.810 电流/mA0.000 0.200 0.370 0.530 0.690 0.880 1.080 1.260 热端温度/℃20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 冷端温度/℃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 0.756 1.021 输出能量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 时间/min4.750 5.833 6.750 电压/V0.930 1.000 1.030 电流/mA1.450 1.560 1.600 热端温度/℃60.000 63.000 65.000 冷端温度/℃32.000 34.000 35.000 功率1.349 1.560 1.648 输出能量3.622 6.421 10.578 平均功率0.763 1.101 1.567 第四组，冷端接触材料为方便带，冷源为冰水，未搅拌。
时间/min0.000 0.067 0.250 0.500 0.817 1.000 1.217 1.567 电压/V0.050 0.310 0.470 0.570 0.690 0.750 0.910 1.120 电流/mA0.080 0.480 0.730 0.890 1.060 1.170 1.410 1.740 热端温度/℃7.000 15.000 25.000 35.000 45.000 50.000 55.000 60.000 冷端温度/℃4.000 5.000 8.000 13.000 18.000 21.000 25.000 29.000 功率0.004 0.149 0.343 0.507 0.731 0.878 1.283 1.949 输出能量。