基于熱能利用的創(chuàng)新實驗設計

黃 林，唐一文，王建中

(華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079)

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基于熱能利用的創(chuàng)新實驗設計

黃 林，唐一文，王建中

(華中師范大學 物理科學與技術學院，湖北 武漢 430079)

設計了基于溫差電效應的鋰電充電器. 該裝置以熱水作為熱源，選用F40550型溫差發(fā)電片，穩(wěn)壓電路和鋰電充電保護電路的主控芯片分別為LM1085和SD8001，電壓輸出為USB接口. 該裝置可以對以鋰電供電的小型數(shù)碼產品充電.

熱能；溫差電效應；鋰電充電器

目前高校在進行物理實驗教學時，一般以驗證性實驗和設計性實驗為主. 然而，這樣的實驗開設方式存在一定不足：首先，對于普通設計性實驗，雖然未直接提供實驗方案和操作步驟，需要學生按實驗的要求，通過查找資料設計實驗方案，但其設計方案并不一定強求是學生“自己的”，即學生可以直接采用別人己有的、成熟的設計方案. 而且有的設計性實驗還限定了實驗所要使用的儀器或需要采用的物理原理[1-2]，這或多或少地制約學生創(chuàng)新能力的發(fā)揮，且可能造成學生設計方案的雷同，更為重要的是這類實驗所涉及的物理原理(或思想)，通常是在實驗室理想條件下(例如可直接使用現(xiàn)成的實驗儀器)的運用[3-4]，這與其在實際中的具體應用相比較，還是存在一定的差別. 因此有必要開展新的實驗訓練手段，對原有實驗開設方式進行補充或完善. 基于這種認識，湖北省于2010年開始舉辦大學生物理創(chuàng)新實驗設計競賽，其目的在于更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力以及綜合運用物理知識解決實際問題的能力. 這類創(chuàng)新實驗和普通設計性實驗一樣，雖然也要求學生能夠自行查找資料去完成實驗方案的設計，但與普通設計性實驗不同的是，它們全部以科研開放的模式進行，即實驗不具體限定學生設計實驗方案時所采用的物理原理(或思想)，但要求設計方案是自己的原創(chuàng)，或是在他人設計方案上的改進或創(chuàng)新，最終還要以自己的設計方案為基礎，完成實驗裝置的加工、制作和調試，達到實驗規(guī)定的要求.

大學生物理創(chuàng)新實驗設計競賽分基礎課題和應用課題2類，其中應用課題偏重物理原理(或思想)在實際生活中的具體應用. “熱能的利用”就是其中的一個實驗，該實驗要求學生自主查找資料，設計并制作小型的“熱能利用裝置”，裝置需具備一定的實用性.

1 設計思路和實驗原理

1.1 設計思路

學生通過查閱相關資料，了解到國內關于熱能利用的研究熱點主要集中在較大規(guī)模的熱能利用上[5-6]，如地熱能等，故利用方法對于該實驗而言，借鑒價值不高，要完成創(chuàng)新實驗設計，需要另選方案.

溫差電效應詳細闡述了熱能和電能間的轉換規(guī)律[7]，學生受此啟發(fā)，設計了基于溫差電效應的“熱能利用裝置”——鋰電充電器，該裝置以生活中常見的熱水作為熱源，可對以鋰電供電的小型數(shù)碼產品(比如智能手機、MP3或單獨的鋰電池)進行充電.

1.2 實驗原理

將2種不同材質的金屬A和B相連，使其2個觸點分別處于T1和T2不同溫度環(huán)境中，如圖1所示.

圖1 溫差電效應裝置示意圖

閉合回路中存在一定的電動勢，該效應稱為溫差電效應，其大小為[8]

ε= ∏AB(T1)+∏BA(T2)+

普通金屬間的溫差電效應非常微弱，隨著材料科學(如半導體材料)的發(fā)展，利用溫差電效應產生電能，開始有了實際應用價值. 例如工程上使用的半導體溫差發(fā)電片，可實現(xiàn)對生活中某些低品質熱能的利用[9-10]，使用時將其中一側(熱端)置于高溫環(huán)境，另一側(冷端)置于低溫環(huán)境，則有電流產生.

2 設計方案

學生在利用溫差發(fā)電片設計“熱能利用裝置”——鋰電充電器時，需考慮以下因素：

首先，需要考慮溫差發(fā)電片的選型以及發(fā)電片冷端和熱端的設計.

其次，由于熱水的溫度會不斷下降，導致溫差發(fā)電片輸出電壓不穩(wěn)定，故需要設計DC-DC穩(wěn)壓電路. 另外由于鋰電的特殊性，在對其充電時，要有充電保護電路，以防“過沖”對鋰電造成損壞. 如果通過數(shù)碼產品(如智能手機等)的USB接口對鋰電進行充電，由于這類數(shù)碼產品內部通常己經集成了保護電路，故只需保證設計的裝置可提供+5 V的穩(wěn)壓輸出即可.

綜合以上考慮，學生設計的熱能利用實驗裝置結構框圖如圖2所示. 該裝置主要由熱端、冷端、溫差發(fā)電片、穩(wěn)壓電路、鋰電充電保護電路等組成.

圖2 熱能利用裝置結構框圖

2.1 溫差發(fā)電片的選擇

由于利用的熱源是生活中普通熱水，所以應選擇發(fā)電片最高耐溫溫度至少在100 ℃以上，且在熱端和冷端溫差較低時，仍可輸出較高電壓，通過對比，學生最終選擇F40550溫差發(fā)電片. 該發(fā)電片在熱端和冷端的溫差為20 ℃時，其開路電壓為1.60 V；在溫差為80 ℃時，開路電壓可以達到5.20 V. 在實際應用時，為了達到更高的輸出電壓，可將多片溫差發(fā)電片聯(lián)用.

2.2 熱端和冷端設計

裝置的熱端主要由水杯(盛裝熱水)和導溫臺2部分組成. 其中導溫臺和溫差發(fā)電片熱端之間的縫隙用導熱硅膠填充，水杯則選用導熱性較好的平底杯，放置于導溫臺上.

裝置的冷端主要由散熱片和可拆卸式水槽2部分組成. 其中散熱片的一端(平底端)和溫差發(fā)電片冷端之間也采用導熱硅膠填充，另一端(葉片端)則插入水槽的冷水中.

2.3 穩(wěn)壓電路和鋰電充電保護電路設計

對于穩(wěn)壓電路的設計，若采用分立器件，電路較為復雜，如用專門的集成穩(wěn)壓芯片，可使電路大為簡化，實驗采用美國TI公司的LM1085-ADJ芯片，設計電路如圖3所示. 若R2與R1的阻值之比約為3，當輸入電壓UIN≥6.5 V時，輸出電壓為UOUT≈5 V.

圖3 LM1085穩(wěn)壓電路

圖4 SD8001鋰電充電保護電路

對于鋰電充電保護電路的設計，目前國內外己有專門的鋰電充電管理芯片問世，型號較多，使用這類芯片時，只需在外圍接很少的器件(如電阻、電容等)即可. 采用首鼎半導體公司SD8001單節(jié)鋰電充電管理芯片，它對鋰電充電時，充電電壓限制在4.2 V. 在圖4所示的電路中，對單節(jié)鋰電充電時，芯片將在鋰電充電的不同階段，智能地選擇不同大小的充電電流，而在此過程中的最大充電電流ICHG則由電阻R1設定，其公式為

ICHG=1 000 V/R1.

一般而言，R1通常采用誤差為1%的高精度電阻，阻值取1.65～3.40 kΩ.

2.4 輸出接口

為了方便電壓輸出，裝置提供了2種USB接口：一種可給帶USB接口的數(shù)碼產品(如智能手機、MP3)充電，另一種可直接給單節(jié)鋰電充電(帶鋰電充電保護電路).

2.5 最終作品和改進設想

學生設計的基于溫差電效應的“熱能利用裝置”——鋰電充電器，實物圖如圖5所示.

圖5 基于溫差電效應的“熱能利用裝置”—— 鋰電充電器

與學生交流后認為，此裝置還可進一步改進，比如改進熱端和冷端的設計后，整個裝置可以加工得更為緊湊，甚至可把裝置整體加工成“杯狀結構”，這樣不僅容易攜帶，也有利于熱水的存儲和利用.

3 結束語

“熱能利用裝置”設計創(chuàng)新實驗內容涵蓋了物理學、電子技術等學科的知識. 開展與實際生產生活密切相關的物理創(chuàng)新實驗競賽，不僅可使學生直觀地感受到物理并不是枯燥乏味的理論，它與平時的生活也是密切聯(lián)系的，我們可以運用物理知識(或原理)解決在生產生活中所遇到的一些實際問題，而且可以提升包括物理知識(或原理)在內的各學科知識綜合運用的能力，同時也會促使教師在實驗教學時，更注重學生實際應用能力的培養(yǎng)，使學生做到學以致用.

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[責任編輯：任德香]

Innovative experiment project based on heat energy utilization

HUANG Lin, TANG Yi-wen, WANG Jian-zhong

(College of Physical Science and Technology, Central China Normal University, Wuhan 430079, China)

A Li-ion battery charger was designed based on thermoelectric effect. The device used hot water as heat source, F40550 as thermoelectric generation tables, LM1085 and SD8001 were chosen as the voltage stablizing circuit and Li-ion battery charging protection circuit control chip, respectively. And the voltage output was USB interface. Small digital products with Li-ion battery could be charged by the device.

heat energy; thermoelectric effect; Li-ion battery charger

2016-02-25；修改日期：2016-03-29

湖北省教育科學“十二五”規(guī)劃立項課題(No.2013B021)；國家自然科學基金項目(No.51572102)

黃 林(1975-)，男，湖南資興人，華中師范大學物理科學與技術學院實驗師，學士，主要從事實驗教學、實驗技術的研究和改進、實驗室管理工作.

專題

O482.6; TM913

A

1005-4642(2016)11-0016-04