热 功 电转化演示实验装置的设计与制作

李嘉珣齐晓环

(河北衡水中学河北 衡水053000)

摘 要：以斯特林热机为核心，设计制作了“热—功—电转化演示实验装置”,主要由热能采集、热-功转化和直流发电模块构成.本装置以可燃气体和集热太阳能作为热源，采用双轴自动追光电路配合电机，实现了对太阳的追光聚热；经动力机构、换热器、传动机构实现了“热—功”转化，再经直流发电机、蓄电池和LED灯珠完成“功—电”转化演示.本装置用于物理演示实验教学，可直观展现追光集热、斯特林热机做功、直流发电和LED发光显示，以及不同形式能量之间的相互转化过程.

关键词：太阳能集热菲涅尔透镜斯特林热机热、功、电转化

收稿日期：(2015-03-26)

1引言

物理演示仪器对于学习物理知识有着深刻的意义，通过对物理现象、过程的观察和探究，既可以帮助学生理解物理概念、原理，还可以提高学生的学习兴趣，激发他们的探索热情和创新意识.热、功、电分属物理学的热学、力学和电学课程，做功和传热是热力学系统与外界之间传递能量的两种方式，功和热属于过程量，而能属于状态量.在广义力的作用下，有广义位移时，就发生了某种类型的做功过程(机械功、流体体积变化做功、电流做功、磁力做功……)，在做功过程中，外界与系统之间交换能量，从而引起系统状态的变化.传热是由温度差引起的，通过分子之间的相互碰撞来实现，直接结果是改变系统的内能.这些抽象的概念和过程能否直观展示呢？

我们开展了本设计研究.

2设计原理

2.1斯特林热机循环过程

斯特林热机是一种常见的热机(系统结构示意图见图1)，内部循环过程称为斯特林循环，如图2所示.

图1　斯特林发动机循环系统示意图

图2　斯特林循环过程

斯特林循环由 2 个等温过程和2个等容过程组成，1-2为等温压缩过程，工作物质被等温冷却收缩，热量在Tmin温度下从工作气体传递给外部低温热源；2-3为等容回热过程，工作物质等容吸热升温，热量从回热器传递给工作气体；3-4为等温膨胀过程，工作物质等温吸热膨胀，热量在Tmax温度下从外部热源传递给工作气体；4-1也是等容回热过程，工作物质等容冷却降温，热量从工作气体传递给回热器.

2.2 菲涅尔透镜

菲涅尔透镜表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线.其原理是基于菲涅尔波带片，菲涅尔波带片具有类似透镜的作用，它可以使入射光汇聚起来，产生极大的光强，聚焦示意图见图3.

图3　菲涅尔波带聚焦示意图

2.3直流发电

当导体在磁场中做“切割”磁感线的运动时，导体内的载流子将以同样的速度运动，磁场对运动电荷产生洛伦兹力，使导体两端产生一定的电位差，即导体中产生感应电动势.直流发电机工作原理示意图见图4.

图4　直流发电原理示意图

3热 功 电转化演示实验装置设计

本演示装置包括热能采集模块、热-功转化模块和直流发电演示模块，原理框图见图5，整机结构示意图见图6.

图5　原理结构框图

图6　热功电整机装置示意图

3.1热能采集模块

热能采集分为两种方式.一种是化学燃料加热，即利用可调、防风喷枪式打火机对热机的换热器直接加热.另一种是采用菲涅尔透镜将太阳光聚焦到换热器上，在透镜四边框的中央分别放置一个同型号光敏电阻传感器，与LM324四路运放相连，构成两个电压比较电路(见图7).

图7　太阳光追光控制电路图

根据感受光强的不同，分别驱动控制左右向和前后向转动电机的工作，带动整体装置沿两个自由度转动，实现对太阳光自动追光集热.

3.2热-功转化模块

热功转化模块主要包括换热器、传动机构、动力机构3部分，动力机构和换热器均固定在固定支架上，整体结构图见图8.

图8　热-功转化模块示意图

(1)换热器

换热器结构示意图见图9，换热气缸采用耐高温玻璃气缸(容积为6.24 mL，直径为13 mm，长50 mm)，固定在固定座上，通过胶圈进行密封，在其受热端套装金属均热帽，有效防止局部高温引起气缸炸裂；置换器活塞采用合金制成，以便对热量进行采集，置换器轴使用不锈钢(Φ3 mm)黄铜管，两者摩擦配合来保持其密封性.

图9　换热器结构示意图

(2)传动机构

传动机构结构示意图见图10，大轮直径为5.5 cm，小轮直径为2.4 cm，大小飞轮通过螺丝固定在轴承上，相位角相差90°，连杆由厚2 mm 的铝合金扁杆制成，要尽量减小动力活塞及置换器轴密封的侧推力，由曲柄半径来选取连杆的长度(连杆/曲柄半径=5～36 cm).此外，曲柄部分及活塞等可动部分，采用小型轴承来减小摩擦损失.

图10　传动机构示意图

(3)动力机构

动力机构结构示意图见图11，动力气缸(外径30 mm，内径26 mm,长35 mm)采用耐高温玻璃气缸，有良好的绝热性，固定在固定座上，与底座之间通过胶圈进行密封，动力活塞(外径25 mm，内径22 mm)与动力气缸之间用润滑油密封良好，动力气缸通过连通气孔与换热器进行气体交换.

图11　动力气缸结构示意图

3.3直流发电演示模块

直流发电装置结构示意图见图12，用橡胶皮带使小飞轮与小型直流发电机相连，当热机开始工作时，飞轮通过橡胶皮带可以带动发电机进行运转，实现功到电的相互转化.发电机与小型蓄电池相连，对发出的电能进行储存，同时给小功率LED供电，使其正常发光，直观地演示了功到电的转化过程.

图12　发电模块结构示意图

3.4样机设计

遵循科学对称布局，结构严谨，整体优化的思想，整体使用铝型材支架结构，装置左侧和前侧各有一个转动电机，聚乙烯板上置有喷枪式打火机、热机、控制电路和直流发电演示装置.整机见图13.

图13　热功电整机装置图

4结束语

本装置提供了化学燃料加热和菲涅尔透镜自动追光集热两种加热方式，保证了装置能够全天候使用.用斯特林热机演示了“热—功”转化，经传动机构带动直流发电机发电，再经蓄电池和LED灯珠演示了“功—电”转化.本装置可用于物理演示实验教学，通过形象、直观的“热-功-电”转化过程的观测，可加深学生对太阳能光热、菲涅尔透镜集热、热敏电阻传感器、斯特林热机做功、导体切割磁感线产生动生电动势、蓄电池储能、LED发光显示以及不同形式能量之间相互转化过程等知识点的认识、理解.

致射：本文是在河北省物理实验教学示范中心的大力支持下完成的，在此对该中心杨景发等老师表示感谢.

参 考 文 献

1刘祖平.一种跟踪和聚光的全新理论——陈应天在太阳能利用研究领域的重大创新.中国科学技术大学学报，2006,36(12):1 245～1 256

2姚叙红，朱林泉，薛忠晋，等.菲涅尔透镜提高太阳利用率的研究.红外,2009,30(3):30～34

3张兰，严惠民，施博煊，等.菲涅尔透镜对平行光的成像特性分析.光学仪器，2000,22(1):15～20

4陈刚.斯特林发动机及其在我国的应用前景.农业工程学报,1993,9(增刊):126～129

5吴丹妮.斯特林发动机的循环分析和计算.湛江海洋大学水产学院，1997,17(2):36～40

6朱炜锋,张宇祥，王文静.采用滞环比较法实现太阳能电池的最大功率追踪.现代电子技术,2006,229(14):27～28

7王科,崔文智,李隆键,等.聚光型太阳能电热联用系统研究进展.太阳能,2007,124(8):27～32

Designing and Making on Demonstration Experimental

Apparatus for Heat, Work and Electricity Transformation

Li JiaxunQi Xiaohuan

(Hengshui High School, Hengshui , Hebei053000)

Abstract:Centered on Sterling engine, "heat-power-electricity conversion demonstration experiment device was designed, which " is mainly composed of a heat collection, heat-power conversion and DC generation modules. The heat collecting solar energy and the combustible gas are used as heat source, the designed biaxial and auto-tracking light circuit combined with the motor can track the sun′s light and accumulate heat ; The power mechanism, heat exchanger and a transmission mechanism can achieve the "heat power conversion", and then DC generator, battery and the LED lamps can demonstrate complete the "power -electricity" conversion.The device has practical significance, which is used for teaching physics demonstration experiment, and it can directly show the light collector, Stirling engine work, DC power and LED light-emitting display and the energy conversion process between different forms .

Key words:solar heat colleting; finel lens; stirling engine;heat, work, electricity transformation