【正文】 同時(shí)我還要對(duì)培養(yǎng)我四年的母校，理學(xué)院給予過我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝，有了你們的幫助，我四年的學(xué)業(yè)才會(huì)順利。生活上，黃老師會(huì)給予我們家人般的關(guān)愛，在實(shí)驗(yàn)過程中有段時(shí)間我一直在生病，黃老師很關(guān)心我，經(jīng)常過問我的病情；當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中遇到困難情緒低落的時(shí)候，黃老師會(huì)鼓勵(lì)我們。學(xué)習(xí)上，在課題的初始階段，黃老師對(duì)課題做了深刻的剖析，這使我對(duì)整個(gè)課題有了比較準(zhǔn)確的把握。在短短四個(gè)月的相處過程中，黃老師平易近人的性格，以及對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度都給我們留下了深刻的印象。雖然目前溫差發(fā)電的效率仍很低，制約著溫差電技術(shù)的應(yīng)用，但隨著電子技術(shù)和材料學(xué)的進(jìn)步，溫差發(fā)電必能為人類解決能源問題提供更多的選擇。并且通過環(huán)路電流和環(huán)路電壓的監(jiān)測(cè)，計(jì)算了溫差發(fā)電的效率。課題后半部分主要完成了利用半導(dǎo)體制冷片發(fā)電的整個(gè)系統(tǒng)三大模塊的設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)于直接影響到半導(dǎo)體制冷片工作的散熱問題進(jìn)行了詳細(xì)的討論論證。課題的前半部分主要對(duì)熱電效應(yīng)的基本概念和國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體制冷和溫差發(fā)電的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和前景等進(jìn)行了簡(jiǎn)單的了解。結(jié)　　論本課題利用根據(jù)半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)制成的半導(dǎo)體制冷片，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)易的溫差發(fā)電演示儀。　本章小結(jié)本章主要是整個(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試的情況，驗(yàn)證了溫差能夠發(fā)電以及定性討論了溫差和電壓之間的關(guān)系。再加上導(dǎo)熱板的熱損失，溫差發(fā)電本身效率就比較低，以及驅(qū)動(dòng)電路并非按最佳匹配負(fù)載和最佳匹配功率來設(shè)計(jì)的等原因，這就導(dǎo)致了本系統(tǒng)的整體效率較低。溫差發(fā)電的效率問題一直是困擾溫差發(fā)電走向市場(chǎng)的最大阻礙，現(xiàn)在即使是在潛艇和航天器這樣利用溫差發(fā)電較為成熟和領(lǐng)先的領(lǐng)域里，溫差發(fā)電的效率最高也只有7%左右。半導(dǎo)體制冷片的功率為12V=。由于外接負(fù)載，所以環(huán)路電壓低于開路電壓，此時(shí)用作發(fā)電的半導(dǎo)體制冷片就相當(dāng)于電源?！…h(huán)路電壓時(shí)間（s）電壓（V）時(shí)間（s）電壓（V）時(shí)間（s）電壓（V）101102102012022030130230401402405015025060160260701702708018028090190290100200300以上就是驅(qū)動(dòng)電路每十秒鐘的環(huán)路電壓值。、。但在第60秒時(shí)，電流表為2mA，LED燈管開始發(fā)亮，電壓增長(zhǎng)趨勢(shì)較開路電壓時(shí)明顯放緩。從數(shù)據(jù)中可以看到電壓表示數(shù)開始上升，上升趨勢(shì)與原來所測(cè)開路電壓較為接近。將數(shù)字萬用表調(diào)至直流20mA檔接入電路中用來測(cè)量環(huán)路電流，再取一塊萬用表測(cè)量環(huán)路電壓。實(shí)物圖如下。繼續(xù)調(diào)高電壓，LED燈管仍能正常發(fā)光，驅(qū)動(dòng)電路符合設(shè)計(jì)要求。仔細(xì)檢查各元件發(fā)現(xiàn)是由于漆包線管腳沒有刮掉絕緣漆。焊接完畢后，首先進(jìn)行通電前檢查，檢查無誤，利用直流電源進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)電壓增至1V后LED燈管仍然沒有被點(diǎn)亮。首先進(jìn)行布局，按照電路圖將各分立元件插在萬用板上，然后用電烙鐵和焊錫將電路焊接起來。兩個(gè)線圈沒有找到符合要求的成品，于是用漆包線圍繞磁芯手動(dòng)纏繞出兩個(gè)線圈來。確定好方案后，首先是元器件的準(zhǔn)備。據(jù)此選擇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案1，即DCDC轉(zhuǎn)換電路。兩者之間基本上符合線性關(guān)系。為了盡可能準(zhǔn)確，將同一溫度差下的不同電壓取平均值和取第一次測(cè)量到的電壓值作圖，趨勢(shì)圖如下。所以，每一點(diǎn)電壓的變化都應(yīng)該是和溫度的變化一一對(duì)應(yīng)的。每隔三十秒計(jì)數(shù)一次。開路電壓和溫差的關(guān)系溫差發(fā)電產(chǎn)生電壓的大小和溫差有直接的關(guān)系，根據(jù)下面的數(shù)據(jù)來定性分析他們之間的聯(lián)系。240秒后趨勢(shì)均開始變緩。起始溫差為0℃，從第三十秒開始每隔三十秒計(jì)數(shù)一次。然后上升趨勢(shì)減慢，也即系統(tǒng)和外界環(huán)境之間達(dá)到一個(gè)熱平衡狀態(tài)。以下是從第十秒開始每隔十秒鐘測(cè)量的電壓值，單位為V。下面對(duì)溫差、電動(dòng)勢(shì)、時(shí)間三者之間的關(guān)系兩兩進(jìn)行定性分析。至此，溫差發(fā)電部分成功實(shí)現(xiàn)。因此實(shí)際工作過程中，半導(dǎo)體制冷片很難達(dá)到它的額定功率。更換一個(gè)容量更大的變壓器，接通電源，但是很快就下降，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體制冷片為P、N型半導(dǎo)體所制成，所以受到溫度影響很大。而電壓表示數(shù)為額定工作電壓12V?？梢钥吹?，電動(dòng)勢(shì)隨著時(shí)間很快增大。用干布擦拭后涂抹導(dǎo)熱硅脂，按照方案設(shè)計(jì)將其并入溫差發(fā)電部分。在上面思路的指導(dǎo)下重新改善了原來的方案。如果在散熱片和半導(dǎo)體制冷片的熱面之間再加入一塊金屬導(dǎo)熱板，這樣會(huì)有一部分熱量沿著新增加的導(dǎo)熱板傳導(dǎo)，如果再將新增加的這塊金屬導(dǎo)熱板上放置一塊散熱片，將在很大程度上提高散熱的效果。為了提高散熱效率，只能從兩方面入手，一是繼續(xù)增加風(fēng)扇功率，二是增大散熱片面積。因此，實(shí)際做出的這個(gè)散熱系統(tǒng)效果并不理想。其原因可能有以下兩點(diǎn)：首先，塑料導(dǎo)管和散熱片之間換熱效率過低，主要是因?yàn)樗芰蠈?dǎo)管的導(dǎo)熱性能不好，若是金屬導(dǎo)管尤其是銅管可能效果比較好。然后將水泵連入電路，導(dǎo)管和水泵相連。用塑料導(dǎo)管穿過散熱片之間的縫隙環(huán)流，以期望能夠帶走一部分熱量，水循環(huán)的動(dòng)力來自于一個(gè)額定工作電壓同樣為12V的水泵，水箱中的冷水經(jīng)過水泵帶動(dòng)流到散熱片處與散熱片的管壁進(jìn)行熱交換，加熱后的水流入水箱中形成一個(gè)完整的循環(huán)。水冷散熱效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷，但仍不及環(huán)流散熱，尤其是強(qiáng)迫環(huán)流散熱，于是決定用強(qiáng)迫環(huán)流散熱。因此，急需解決的問題就是怎樣能夠提高散熱的能力，只有這樣，問題才能夠得到根本的解決。在通電兩分鐘后，用手去觸碰通電的制冷片上的散熱片會(huì)發(fā)現(xiàn)，散熱片溫度非常高?，F(xiàn)在電動(dòng)勢(shì)較小，也即溫差較小。此時(shí)若將另外一塊散熱片平放在第二塊半導(dǎo)體制冷片上。將導(dǎo)熱硅脂涂抹在銅板上并用制冷片推動(dòng)使其均勻，仍然保持原來的距離，等待一段時(shí)間等制冷片溫度恢復(fù)至室溫時(shí)再次通電。制冷部分完成，下面是溫差發(fā)電部分的實(shí)現(xiàn)。風(fēng)扇的額定工作電壓也為12V，將風(fēng)扇和半導(dǎo)體制冷片都接通電源，30秒后，用手觸摸銅板，發(fā)現(xiàn)無明顯變冷的感覺，可能是風(fēng)扇功率不夠，散熱效果不佳而影響了制冷效果。這樣，半導(dǎo)體制冷部分實(shí)現(xiàn)完畢。然后，在散熱片的底座上同樣涂滿導(dǎo)熱硅脂，并將底面與半導(dǎo)體制冷片的熱面接觸，推動(dòng)散熱片使導(dǎo)熱硅脂均勻分布。最后，讓半導(dǎo)體制冷片處于導(dǎo)熱銅板一端，半導(dǎo)體制冷片的邊緣部分距導(dǎo)熱銅板的邊緣部分都為1cm左右。首先用干凈的軟布將導(dǎo)熱銅板和半導(dǎo)體制冷片的上下兩面擦拭干凈，這是為了去除毛刺以便于更好的接觸和導(dǎo)熱。散熱片為黑色，這是因?yàn)榛鶢柣舴蜃C明了在同等溫度下以黑體輻射力最大，也就是說，黑色的散熱片比銀色的散熱片散熱效率更高。為了使導(dǎo)熱效率更高，減少熱量散失，還準(zhǔn)備了導(dǎo)熱硅脂。半導(dǎo)體制冷片的規(guī)格為40403mm，那么兩塊半導(dǎo)體制冷片的長(zhǎng)度就是8cm，據(jù)此，選擇一塊長(zhǎng)16cm，寬6cm，高2mm的銅板來做導(dǎo)熱板。直流電源部分測(cè)試完畢，符合設(shè)計(jì)要求。、。然后將整流橋和電容在適當(dāng)?shù)奈恢脭[放好，用硅膠固定。將電表的螺釘在有機(jī)玻璃板上相對(duì)應(yīng)的位置也打上孔，然后將電表穿過所打的孔并固定好。同時(shí)因?yàn)橐?jì)算整個(gè)系統(tǒng)溫差發(fā)電效率和監(jiān)控半導(dǎo)體制冷片的電壓電流的需要，所以在電路中要并入一個(gè)電壓表和串接一個(gè)電流表，電壓表和電流表也將固定在有機(jī)玻璃板上，形成一個(gè)模塊。例如電容選用的就是耐高壓250V的元件?！≈绷麟娫床糠值膶?shí)現(xiàn)和測(cè)試　直流電源部分的實(shí)現(xiàn)：　直流電源原理框圖在確定了實(shí)驗(yàn)方案后，準(zhǔn)備元器件進(jìn)行電路部分的實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路部分的方案選擇與實(shí)現(xiàn)將在本章后半部分進(jìn)行。這部分將在下一章進(jìn)行方案的選擇與論證。但由于溫差發(fā)電部分最終能夠產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的大小無法進(jìn)行精確預(yù)估，因?yàn)檫@涉及到半導(dǎo)體制冷片本身實(shí)際的性能，散熱系統(tǒng)散熱的效果，導(dǎo)熱金屬板和空氣的熱交換等一些列的問題?！”菊滦〗Y(jié)本章根據(jù)設(shè)計(jì)思路首先確定了溫差實(shí)現(xiàn)方案的選擇，在此基礎(chǔ)上確定了整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)框圖。其中T1采用9012型三極管，T2為9013型三極管。本方案采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)LED方式，電路采用LC振蕩電路和三極管進(jìn)行電流放大，驅(qū)動(dòng)六顆LED發(fā)光[21]?！〔捎秒娏鞣糯驦ED照明電路。據(jù)此，設(shè)計(jì)出下面的磁環(huán)升壓電路。本部分主要設(shè)計(jì)一個(gè)小型的LED驅(qū)動(dòng)電路，用低壓直流電源，驅(qū)動(dòng)一顆或幾顆白光LED，使其正常發(fā)光，用來驗(yàn)證溫差發(fā)電。　驅(qū)動(dòng)電路部分設(shè)計(jì)目前，白色LED驅(qū)動(dòng)電路按照負(fù)載連接方式分為：并聯(lián)型、串聯(lián)型和串并混聯(lián)型：從提供驅(qū)動(dòng)源的類型分為：電壓驅(qū)動(dòng)型和電流驅(qū)動(dòng)型。強(qiáng)迫通風(fēng)散熱是常用的散熱方式，其效果雖不及水冷和環(huán)流散熱，但可以通過加大風(fēng)扇效率來增大通風(fēng)量，且使用方便，體積小。熔化潛熱散熱效果不錯(cuò)且體積小，方便。自然通風(fēng)散熱能力過小，很難滿足半導(dǎo)體制冷片的散熱需求，不予采納。對(duì)于所選用的低熔點(diǎn)物質(zhì)有兩個(gè)要求：首先要求它的熔化溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熱電堆熱端的焊料熔點(diǎn)，否則會(huì)造成電堆的脫焊，一般要求在60℃以下；其次要求有較大的熔化潛熱，以能吸收較多的熱量，而使用的熔化物質(zhì)較少。這種方法適用于間歇性工作場(chǎng)合。下面分別給出了自然環(huán)流冷卻系統(tǒng)和強(qiáng)迫環(huán)流冷卻系統(tǒng)的示意圖。也可以通過測(cè)量冷卻水進(jìn)出口溫差，判明冷卻水量是否足夠[19]。當(dāng)熱電制冷器的熱端采用水箱或彎曲的小直徑水管冷卻時(shí)，由于水和散熱器壁之間的換熱系數(shù)很大，以及水的比熱大，因此冷卻效果很好，換熱器的尺寸也大大縮小。強(qiáng)迫通風(fēng)散熱通常用散熱片和風(fēng)扇的組合來完成，風(fēng)扇的功率是影響散熱效果的最大因素?！?qiáng)迫通風(fēng)散熱散熱器采用強(qiáng)迫通風(fēng)以后，其對(duì)流換熱系數(shù)可大大提高，在相同的散熱功率下，散熱面積相應(yīng)地縮小許多倍?？諝庾匀粚?duì)流散熱器的散熱面積，利用下式計(jì)算時(shí)可達(dá)到足夠的精確度： （）式中F散熱器換熱表面總而積； Q熱電堆傳給散熱器的總熱量； 散熱器和周圍空間的換熱系數(shù)； 散熱器和周圍介質(zhì)之間的允許溫差。一般選取熱端溫度比環(huán)境溫度高710℃，有時(shí)高至15℃。散熱器利用空氣的自然對(duì)流把熱量散到環(huán)境中，達(dá)到制冷目的。　空氣自然對(duì)流散熱在很多小型熱電制冷器中，常采用空氣自然對(duì)流散熱的換熱系統(tǒng)，它需要一定形式的散熱片作為熱交換器。因此，半導(dǎo)體制冷片散熱部分的設(shè)計(jì)無疑是重中之重，直接影響到我們?cè)O(shè)計(jì)的成敗。　散熱方案的設(shè)計(jì)和選擇溫差發(fā)電部分的總體方案已經(jīng)確定選擇方案2，但是，還有更重要的問題需要解決，那就是半導(dǎo)體制冷片在制冷過程中的熱端散熱問題。本電路采用變壓器降壓成本相對(duì)比較高，雖變壓器較為笨重，但是出于實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)安全的考慮，本設(shè)計(jì)采用了本電路。但是，由于半導(dǎo)體制冷片的額定工作電流為4A，遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體制冷片的額定工作電流，且半導(dǎo)體制冷片對(duì)直流電源的穩(wěn)定性要求并不是很高，紋波系數(shù)小于10%即可，故將穩(wěn)壓電路部分舍去。所以電容降壓不適合用來做半導(dǎo)體制冷片電源的降壓方式，不予采納。它不適合大電流和動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下工作[17]。而電容器實(shí)際上起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色。因?yàn)?W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。因?yàn)?10V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA，它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們?nèi)绻谝粋€(gè)1uF的電容器上再串聯(lián)一個(gè)阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個(gè)阻性元件的特性。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過電容的最大電流約為70mA。：　220V高壓驅(qū)動(dòng)LED原理框圖　電容降壓直流電源電容降壓的工作原理是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。220V高壓交流電不能直接作為半導(dǎo)體制冷片的電源，必須經(jīng)過降壓、整流、濾波穩(wěn)壓之后，輸出低壓直流電。　系統(tǒng)框圖由于采納了上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中的方案2，所以很顯然需要一個(gè)直流電源，在利用溫差發(fā)出直流電以后，需要驗(yàn)證的確利用溫差發(fā)出電來了，這可以利用LED來證明，但由于溫差發(fā)電效率較低，預(yù)計(jì)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)較小，不足以點(diǎn)亮LED，因此需要一驅(qū)動(dòng)電路。所以，相對(duì)于方案3而言，方案2的研究無疑會(huì)更有意義。同時(shí)，在經(jīng)?？吹降年P(guān)于溫差發(fā)電的一些文獻(xiàn)和報(bào)導(dǎo)中，多是采用放射性同位素?zé)嵩?、工業(yè)廢熱、汽車余熱、地?zé)?、溫泉水甚至是洗浴過后的廢水等方式提供溫差，也就是說利用的是高于環(huán)境溫度的熱源和環(huán)境溫度之間的溫差來實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電的。但是，本課題是實(shí)驗(yàn)演示儀的設(shè)計(jì)，而非工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用，所以，能源的利用效率固然應(yīng)該在我們的考慮范圍內(nèi)，但卻不應(yīng)該是首要考慮的因素，首先應(yīng)該考慮的是利用演示儀揭示更多的原理，更直觀的讓學(xué)生學(xué)習(xí)到知識(shí)。方案3利用的是半導(dǎo)體制冷片的制熱功能，從能源的利用效率來看要優(yōu)于方案2。但是考慮到本課題是關(guān)于溫差發(fā)電演示儀的設(shè)計(jì)與研究，既然是演示儀，就得要求實(shí)現(xiàn)起來比較方便，而本方案卻需要在每次實(shí)驗(yàn)前制備熱水和冰塊，顯然這是很不方便的，所以這個(gè)方案簡(jiǎn)單易懂卻不夠方便，沒有采納。同樣也可以利用半導(dǎo)體制冷片反接制熱的特性來制造溫差：，把半導(dǎo)體制冷片A反向接通電源，這樣，緊貼導(dǎo)熱金屬板的一面就變成熱面，此時(shí)，半導(dǎo)體制冷片B緊貼金屬板的一面將變熱，另外一面為室溫，同樣會(huì)在兩根引線之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。利用半導(dǎo)體制冷片制熱來實(shí)現(xiàn)溫差從第2章得知半導(dǎo)體制冷片有這樣的特性：正接時(shí)半導(dǎo)體制冷片制冷，反接時(shí)半導(dǎo)體制冷片制熱，且制熱效率一般大于1。利用半導(dǎo)體制冷片制冷來實(shí)現(xiàn)溫差　溫差實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)俯視圖取兩塊半導(dǎo)體制冷片，將其中一塊半導(dǎo)體制冷片A接上正向額定電壓，根據(jù)帕爾帖效應(yīng)，半導(dǎo)體制冷片的一面就成為冷端，另外一面成為熱端，將半導(dǎo)體制冷片A的冷端貼在一導(dǎo)熱性能良好的金屬板（如銅板）上，同時(shí)注意熱端一定要用風(fēng)冷或水冷進(jìn)行散熱，金屬板在半導(dǎo)體制冷片A的制冷作用下就會(huì)慢慢變涼。在半導(dǎo)體制冷片的上表面上再放置一盛滿冰塊或冰水混合物的燒杯或銅杯?！夭顚?shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)　實(shí)驗(yàn)方案概述利用冷熱水來實(shí)現(xiàn)溫差　熱水和冰塊實(shí)現(xiàn)溫差，選擇一塊半導(dǎo)體制冷片，放在傳熱U型鋁板上，鋁板的頂面積應(yīng)大于半導(dǎo)體制冷片的面積，下面的軟木板上應(yīng)開出兩個(gè)大小合適的狹縫，以便于U型鋁板穿過軟木板