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附件4:
2019年大连交通大学大学生物理实验竞赛暨省赛选拔赛
项目说明书
参赛学院 土木工程学院
参赛题目 基于光电效应与电热效应的环保型温度调控器
组队成员
大连交通大学生物理实验竞赛组委会制
2019年5月
参赛题目
基于光电效应与电热效应的环保型温度调控器
负责人姓名
性别
出生年月
专业
年级
(以下内容可加页,控制在3-5页)
设计思路:本装置设计思路源于针对夏季室外高温环境,通过某种措施高效地将太阳内部产生的核聚变辐射到地球的能量转换成清洁能源,利用转换后的清洁能源为室外行驶的车辆车厢降温。对普通的太阳能发电技术进行改进,通过光电效应与热电效应的结合将转换效率提高,此技术适用于工业、农业、军事等多方面领域。
一、设计原理与方法:
光电效应原理:如图1-1所示,在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电。光束里的光子所拥有的能量与光的频率成正比,逸出功 W 是从金属表面发射出一个光电子所需要的最小能量。如果转换到频率的角度来看,光子的频率必须大于金属特征的极限频率,才能给予电子足够的能量克服逸出功。逸出功与极限频率μ之间的关系:W=h*μ ,其中,h是普朗克常数, W是光频率为μ的光子的能量。
半导体制冷原理:半导体制冷是建立于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应共五种热电效应基础上的制冷新技术,是具有热电能量转换特性的材料基于电热效应原理在通过直流电时产生的制冷现象。
半导体发电原理:如图1-2所示,基于热电效应原理,是热能和电能之间相互转换的一种效应,主要包括塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应。根据汤姆逊学说,在半导体材料上下表面产生温差,将会产生一个电势差,这实际上是电热效应的逆效应。
图1-1 图1-2
本装置主要利用太阳能板与半导体发电片进行发电,将电能储存到蓄电池内,为半导体制冷片提供电源,实现能源的多级利用,模仿车载太阳能光电热电空调原理,对改进后的太阳能发电原理进行演示。
实验方法:
在5号泡沫箱上分别装上两个半导体制冷(发电)片,用导热硅脂将半导体两面与铝制导热块粘结。
在其中一个铝制导热上装载小型风扇实现风冷散热,作为电热制冷装置:另一个不动,作为热电发电装置。
根据电路图分别连接各装置电路,最终接至12V、100W的电源上。
装好太阳能板并将其接到蓄电池中,蓄电池将持续为整个装置提供电源。
电路图:
图1-3
二、实验仪器与装置:
图2-1 图2-2 图2-3
图2-4 图2-5 图2-6
图2-1 装置整体俯视图
图2-2 验证热电效应所需电器元件
图2-3 验证热电效应电路组装模型图
图2-4 实验进行15分钟泡沫箱内外温度对比现象图
图2-5温差发电独立实验效果图
图2-6 实验装置零部件分解图
三、数据测量与分析:
5号泡沫箱容积=25cm*15cm*13cm=4875cm3
整机功率=12706半导体制冷片12V*6A+9025散热风扇3W+4010冷端风扇1.5W=76.5W
太阳能板功率28W
温差发电功率=发光二极管1W+小型直流电动机3W=4W
实验室环境:温度25.6℃ 湿度76% 气压1010.5mb
通电时间/min
实验室温度T1/℃
箱内温度T2/℃
温差ΔT/℃
0
25.6
25.6
0
1
25.5
10.3
15.3
2
26.1
5.9
20.2
5
25.9
-0.2
26.1
计算(以1min为例):
M=ρ*V=1.26kg/m3*4875*10-6m3=6.1425*10-3kg
Q放=CM(T2-T1)=1006J/Kg/℃*6.1425*10-3kg*15.3℃=94.544J
W半导体=UIΔt=12V*6A*1*60s=4320J
η= Q放/ W半导体*100%=2.19%
TEG1-12706半导体温差发电片相关特性曲线:
四、结论:
特色说明:本装置通过5号泡沫箱模仿需要降温的车厢,通过太阳能板和半导体温差发电片利用太阳能的光和热实现双重发电,再利用所产生的电量通过半导体制冷片为车厢内提供冷气,当车厢内部温度降低时会与外界形成一个较大的温差,从而又促进了温差发电,为处于室外高温环境的车辆车厢提供降温保护。
本装置成功的验证了通过将光电效应与热电效应的双重结合,更高效地将太阳能转换为电能。由于实验目的是为了模拟实际装置,旨在于能体现光电效应、热电效应、电热效应的现象,加
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