一套能源转换演示装置设计及其应用浅探

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1、一套能源转换演示装置设计及其应用浅探　　引言　　在高中化学苏教版选修四“化学反应原理”专题一“化学反应与能量变化”部分中，特别提到能量的充分利用问题，指出太阳能、氢能等新能源是当前国际能源研究的重要课题。研究新能源的开发和利用，是学生十分感兴趣的内容，但是教材在这方面并不包含对应实验。本文针对太阳能、电能、氢能（化学能）等几种能源之间的相互转化进行综合设计，既可作为演示实验，也可看作对新能源研究的一种探索。特别是太阳能和燃料电池的综合利用，具有其他能源无可替代的资源优势和环保优势。本文同时对如何实现几种能源之间的相互转化的自动控制问题进行了有益探索，也具有一定的现实意义。　　9代演

2、示装置的设计与改进　　第1代演示装置电能与氢能（燃料电池）的相互转化　　第1代演示装置设计出氢气燃料电池的充电放电过程。实验时，先接通直流电源，此时阳极出现氧气，阴极出现氢气，实现电能到化学能的转化。当电解产生的氢气、氧气达到一定体积时，切换开关，此时形成氢氧燃料电池，实现化学能到电能的转化。　　由于实验室常见的u形管管径太小，无法将电极和漏斗颈同时插入橡皮塞中，受医用点滴瓶的启示，选用点滴用软管代替漏斗，并用手机充电宝代替直流电源组合成第1代演示装置。5　　第2代演示装置：电能与化学能的相互转化，电流表指针发生偏转　　第1代装置电解速度慢，产生气体少，实验现象不明显。为此只好换用

3、传统做法，使用长颈漏斗、直流电源和电流计组装成第2代演示装置进行操作，燃料电池接通后电流计指针发生偏转，实验现象比第1代装置明显。　　第3代演示装置：发光二极管发光，液体可以进入漏斗　　针对第2代装置的不足，我改用更大的U形管和更长的碳棒，以提高电流强度和燃料电池工作时间。经过摸索，最终选择了2支100mL针筒和5支碳棒纤维，碳棒纤维须进行淬火处理，并用三角漏斗代替长颈漏斗。这样组装成了第3代演示装置，其中燃料电池工作时电压2V左右，电流20mA左右，终于使发光二极管发光，且液体可以进入漏斗中。　　第4代演示装置发光二极管发光，液体进入漏斗，U形管中现象明显　　鉴于第3代演示装置存

4、在的问题，采用定制的大U形管（管径5cm，单边管长20cm）代替大针筒，可以看到管中明显的气体产生现象及液体进入漏斗，且发光二极管发光能够发光，见图1。　　至此，使用第4代演示装置，可以清晰观察到电能和化学能之间的相互转化。使用的电解质溶液为硫酸钠溶液，构成的是氢气燃料电池，消除了学生对于燃料电池构造及能否产生电流的疑惑。　　第5代演示装置：太阳能与电能、氢能（燃料电池）的转化，现象明显5　　为了实现太阳能到电能、氢能的转化，只需在第4代演示装置基础上将直流电源换为太阳能电池板，就组装成了第5代演示装置，在阳光充分的条件下，实验现象十分明显。第5代装置原理见图2。　　第6代演示装置

5、：现象更加明显　　为了实现太阳能到电能、氢能（燃料电池）、热能的转化，可在第5代演示装置的基础上将电解时阴极产生的氢气导出并进行燃烧。为此，在阴极处的橡皮塞上加装一个带活塞的导气管，构成第6代演示装置。此时氢气可以燃烧，实现化学能到热能的转化。　　第7代演示装置：实现电解与燃料电池工作的自动控制　　第7代演示装置安装了自动控制浮球，在第6代装置人为控制的基础上实现自动控制。在太阳能电池板的自动控制中，已经有了太阳能路灯光控开关，将其安装在燃料电池的控制电路中，也可以实现白天电解、夜间燃料电池供电的自动控制。　　第8代演示装置：实现室内演示全过程　　第8代演示装置改用家用浴霸取暖灯作

6、为光源，实现在室内演示能量转换，效果很明显。如果在燃料电池的电路上安装光控开关，就可以实现浴霸灯开启时电解开始，浴霸灯关闭时电解结束，且燃料电池开始工作，发光二极管发光，演示了几种能量的转化过程。　　第9代演示装置及操作步骤和现象：优化室内演示效果　　第8代演示装置已经可以实现室内演示，但在具体实验中发现还存在不够完善的地方：一是浴霸取暖灯在发光的同时大量放热；二是发光二极管的发光现象还不够明显；三是电解速度还不够快。为此，在3个方面进行改进：①使用小太阳灯管代替浴霸取暖灯；②使用小闹钟代替发光二极管；③使用氢氧化钾溶液代替硫酸钠溶液。第9代装置实物图见图3。5　　第9代演示装置的

7、用途拓展　　第9代演示装置除了可以实现几种能量转化演示外，进行适当改装后，还具有其他用途。　　改进教材验证电解饱和食盐水产物的演示实验。　　用实验装置的思路解决远洋轮船的用电用火及长久续航问题。　　演示装置的原理可用于太阳能路灯的供电供气改造。　　创新点　　经过多次改进，本装置不但可以完成能量转化的演示，还具备以下刨新点。　　填补空白：本装置的设计填补了目前中学实验室无能源转换演示装置的空白，并已取得国家知识产权局专利申请受理通知书。　　仪器简单：小太阳灯管、太阳能电