CN105548857A

CN105548857A - 热电模组发电性能测试平台

Info

Publication number: CN105548857A
Application number: CN201610063998.9A
Authority: CN
Inventors: 梅德庆; 谌礼群; 王辉; 李佳碧
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: CN105548857B

Abstract

本发明公开了一种热电模组发电性能测试平台。包括压紧螺母、压杆、压杆支撑块、阶梯支撑轴、水冷块、贴片式热电偶、导电电极、热电块体、陶瓷片、保护围栏、电加热平台、螺钉、加热平台支撑板、压力传感器和支撑底板。本发明可对热电模组下端进行加热并控制热端加热温度，对热电模组上端进行水冷冷却，并通过压杆压紧有效保证电加热平台、热电模组和水冷块充分接触，使热电模组上下端形成稳定的温度差并产生电动势。本发明能够准确测试不同温差、不同外部施加压力、不同外部负载条件下热电模组内阻、输出电压、电流和输出功率的数值大小，对热电模组制备工艺优化和使用环境，包括使用温度区间、安装压力和外部负载的设计具有重要指导意义。

Description

热电模组发电性能测试平台

技术领域

本发明涉及测试平台，尤其是涉及一种热电模组发电性能测试平台。

背景技术

在现有能源体系中，存在着大量的低品位能源，在发电厂、炼钢厂、汽车尾气、太阳能电池板等环境中，均存在大量的余热的浪费情况。温差发电器是利用温差发电材料直接将热能转换为电能的一种全固态能量装置，具有无噪音、无磨损、体积小、寿命长、安全无污染等优势，因此在余热利用方面有具有较大的潜力。

热电模组是温差发电器中将热能转化为电能的核心部件，由P型热电臂、N型热电臂、导电电极和陶瓷片组成。工作时，热电模组一端吸热温度升高，另一端散热温度降低，由于热激发作用，P型热电臂内高温端的空穴和N型热电臂内高温端的电子浓度比低温端高，载流子由高温端向低温端移动，形成电动势，实现对外部负载的供电过程。

现在工业上制备热电模组的方法有很多，包括钎焊、热压烧结、火花等离子烧结、固液间扩散连接等。不同制备工艺对热电模组的发电性能有直接影响，以焊接为例，不同热电臂成分、焊料成分、焊接温度、保温时间、阻隔层类型等工艺参数会直接影响焊料和热电臂的反应化合物成分、扩散深度等，从而影响热电模组的内阻和发电性能。热电模组性能测试是评价热电模组制备工艺好坏的重要方法，同时，热电模组发电性能是温差发电器实际工程的应用基础和必要参数。

查阅相关专利可知，清华大学于2006年申请了专利“温差发电器热电性能测试系统”（专利申请号：200610011549.6），该专利介绍了该测试系统的功能框架，由电加热单元、循环冷却水回路热阱单元、数据采集和数据处理单元组成，但并未涉及测试系统结构设计方面内容；南京航空航天大学于2013年申请了专利“一种温差材料热电转换性能测试系统及方法”（专利申请号：201310186572.9），该专利介绍了该测试系统的功能框架，由电加热单元、温差发电器件单元、循环冷却单元、数据采集单元组成，同时对温差发电器件单元的冷热两端温度进行了监测，但该专利并未涉及测试系统结构设计方面内容，且并未涉及到温差发电器件安装压力监测功能，实际应用过程中，温差发电器件冷热端温度差、安装压力对热电模组发电性能均有很大影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热电模组发电性能测试平台，在该测试平台上，热电模组将热能转化为电能。在发电过程中，该测试平台可有效保证热电模组和冷热端充分接触，控制热端温度，同时快速准确对热电模组冷热端温度，外部施加压力，内阻、输出电压、电流和输出功率进行监测，探索相同条件下不同温度差、不同安装压力和不同外部负载对于热电模组发电性能的影响。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括压杆、压紧螺母、压杆支撑块、阶梯支撑轴、水冷块、贴片式热电偶、导电电极、热电块体、陶瓷片、保护围栏、电加热平台、螺钉、加热平台支撑板、压力传感器和支撑底板；

在四根等距布置的阶梯支撑轴台肩上，从下至上依次装有支撑底板、保护围栏和压杆支撑块，支撑底板和保护围栏之间的阶梯支撑轴之间，安装有与支撑轴形成滑动连接的加热平台支撑板，在支撑底板与加热平台支撑板间等距安装有压力传感器，电加热平台安装在保护围栏内，电加热平台与加热平台支撑板之间通过螺钉连接；被测试的热电模组放在电加热平台上，电加热平台两侧分别设有一组贴片式热电偶，热电模组上端面与水冷块下表面相接触，水冷块下表面两侧分别设有另一组贴片式热电偶；压杆支撑块通过螺母固定在支撑轴上端，压杆位于压杆支撑块中心处，通过螺纹与压杆支撑块连接，通过压杆支撑块使水冷模块、热电模组和电加热平台三者相接触。

所述压杆支撑块为十字形支撑块。

所述支撑底板与加热平台支撑板间等距安装有压力传感器为四个，所述四个压力传感器均布在加热平台支撑板和支撑底板之间。

所述电加热平台两侧分别设有一组贴片式热电偶，所述一组贴片式热电偶为两个。

所述水冷块下表面两侧分别设有另一组贴片式热电偶，所述另一组贴片式热电偶为两个。

本发明具有的有益效果是：

1．该测试平台可对热电模组下端进行加热并控制热端加热温度，对热电模组上端进行水冷冷却，并通过压杆压紧有效保证电加热平台、热电模组和冷却块充分接触，在热电模组上下端形成稳定的温度差；

2.该测试平台能够准确监测热电模组发电时冷热两端的温度值；

3.该测试平台能够准确监测热电模组发电时安装压力；

4.该测试平台能够准确测试不同温度差、不同外部施加压力、不同外部负载条件下热电模组内阻、输出电压、电流和输出功率的数值大小。

本发明装置结构简单，装配方便，可快速准确地测试不同温差、外部施加压力和负载条件下热电模组的发电性能，对热电模组制备工艺优化和实际应用过程中热电模组使用环境，包括使用温度区间、安装压力和外部负载设计具有重要的指导意义。

基于上述背景，提出并设计了一种热电模组发电性能测试平台，该平台可快速准确对热电模组冷热端温度，外部施加压力，内阻、输出电压、电流和输出功率进行监测，探索相同条件下不同温度差、不同外部施加压力和不同外部负载对于热电模组发电性能的影响，对热电模组制备工艺优化和实际应用过程中热电模组使用环境，包括使用温度区间、安装压力和外部负载的设计具有重要指导意义。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图1的B-B剖视图。

图5是外围电路测试模块的电路原理图。

图中：1、压杆，2、压紧螺母，3、压杆支撑块，4、阶梯支撑轴，5、水冷块，6、贴片式热电偶，7、导电电极，8、热电块体，9、陶瓷片，10、保护围栏，11、电加热平台；12、螺钉，13、加热平台支撑板，14、压力传感器，15、支撑底板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1、图2、图3、图4所示，所示，本发明包括压杆1、压紧螺母2、压杆支撑块3、阶梯支撑轴4、水冷块5、贴片式热电偶6、导电电极7、热电块体8、陶瓷片9、保护围栏10、电加热平台11、螺钉12、加热平台支撑板13、压力传感器14和支撑底板15。压杆1和压杆支撑块3组成的压紧模块，陶瓷片9、导电电极7和热电块体8组成的热电模组，贴片式热电偶6组成的温度监测模块，压力传感器14组成的压力监测模块，阶梯支撑轴4、保护围栏10、螺钉12、加热平台支撑板13和支撑底板15组成的支撑模块。

在四根等距布置的阶梯支撑轴4台肩上，从下至上依次装有支撑底板15、保护围栏10和压杆支撑块3，支撑底板15和保护围栏10之间的阶梯支撑轴之间，安装有与支撑轴形成滑动连接的加热平台支撑板13，在支撑底板15与加热平台支撑板13间等距安装有压力传感器14，电加热平台11安装在保护围栏10内，电加热平台11与加热平台支撑板13之间通过螺钉12连接；被测试的热电模组放在电加热平台11上，电加热平台11两侧分别设有一组贴片式热电偶6，热电模组上端面与水冷块5下表面相接触，水冷块5下表面两侧分别设有另一组贴片式热电偶6；压杆支撑块3通过压紧螺母2固定在支撑轴上端，压杆1位于压杆支撑块3中心处，通过压杆支撑块3使水冷模块5、热电模组和电加热平台11三者相接触，实现压紧过程，保证水冷块5、热电模组和电加热平台11充分接触，使得热量顺利从电加热平台11经由热电模组流向水冷模块5。

所述压杆支撑块2为十字形支撑块。

所述支撑底板15与加热平台支撑板13间等距安装有压力传感器14为四个，四个压力传感器均布在加热平台支撑板13和支撑底板15之间。

所述电加热平台11两侧分别设有一组贴片式热电偶6，所述一组贴片式热电偶为两个。

所述水冷块5下表面两侧分别设有另一组贴片式热电偶6，所述另一组贴片式热电偶为两个。

如图1、图2、图3所示，陶瓷片9、导电电极7和热电块体8(P、N型热电臂)组成热电模组。在热电模组的上端，安装有水冷块5，水冷块5有一个入水口，一个出水口，通过水冷实现对热电模组上端的冷却；在热电模组的下端，安装有电加热平台11，该电加热平台11输出功率可调节，实现对热电模组下端的加热并控制热端温度。在水冷块4和电加热平台11作用下，热电模组上下端形成温度差，产生电能并实现对外部负载的供电。

如图1、图2、图4所示，在热电模组的前后方向，电加热平台11上表面和水冷块5下表面分别均布了四个贴片式热电偶6，组成温度监测模块，用于检测热电模组冷端和热端的温度，探究相同条件下不同温度差对于热电模组发电性能的影响。

如图1、图2所示，在加热平台支撑板13和支撑底板15之间，实验平台的前后左右位置均布了四个压力传感器14，组成压力监测模块，用于检测压紧模块对热电模组施加的压力，探究相同条件下不同外部施加压力对于热电模组发电性能的影响。

如图1、图2、图3、图4所示，阶梯支撑轴3、保护围栏10、螺钉12、加热平台支撑板13和支撑底板15组成支撑模块。其中，阶梯支撑轴4，从上至下依次对压杆支撑块3、保护围栏10和支撑底板15进行定位，且阶梯支撑轴4底部加工有螺纹，通过螺纹配合将整个实验平台固定在平台上；保护围栏10安装在电加热平台11的外侧，防止加热至高温后的加热平台烫伤实验人员；螺钉12通过螺纹配合将电加热平台11悬空支撑并固定在加热平台支撑板13上侧；支撑底板15上侧放置压力传感器14，加热平台支撑板13放置在压力传感器14上面。

如图5所示为外围电路测试模块基本电路原理图，电源V_TEG表示热电模组，电源正负端对应图4中热电模组的正、负端输出电极，电阻R_TEG表示热电模组的内阻。开关S全部断开时，可测量得到相应条件下热电模组的开环输出电压V；开关S闭合时，可测量得到当外部负载滑动变阻器阻值为R_load时，热电模组的闭环输出电压为V_load，即可计算得到热电模组的内阻R_TEG=(V-V_load)/V_load*R_load，闭合回路的电流I=V_load/R_load，输出功率P=V_load*I；改变滑动变阻器阻值为R_load，可测量得到不同外部负载下热电模组的闭环输出电压V_load，并计算得到闭合回路电流I，输出功率P。

综上所述，该测试平台结构简单，装配方便，可快速准确测量在不同温度差、不同外部施加压力、不同负载条件下热电模组的内阻R_TEG，开环输出电压V，闭环输出电压V_load，输出电流I和输出功率P。因此，该测试平台对热电模组制备工艺的优化和对热电模组安装时的外部施加压力、使用温度区间和外部负载的设计具有重要指导意义。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种热电模组发电性能测试平台，其特征在于：包括压杆(1)、压紧螺母(2)、压杆支撑块(3)、阶梯支撑轴(4)、水冷块(5)、两组贴片式热电偶、保护围栏(10)、电加热平台(11)、螺钉(12)、加热平台支撑板(13)、压力传感器(14)和支撑底板(15)；

在四根等距布置的阶梯支撑轴(4)台肩上，从下至上依次装有支撑底板(15)、保护围栏(10)和压杆支撑块(3)，支撑底板(15)和保护围栏(10)之间的阶梯支撑轴之间，安装有与支撑轴形成滑动连接的加热平台支撑板(13)，在支撑底板(15)与加热平台支撑板(13)间等距安装有压力传感器(14)，电加热平台(11)安装在保护围栏(10)内，电加热平台(11)与加热平台支撑板(13)之间通过螺钉(12)连接；被测试的热电模组放在电加热平台(11)上，电加热平台(11)两侧分别设有一组贴片式热电偶，热电模组上端面与水冷块(5)下表面相接触，水冷块(5)下表面两侧分别设有另一组贴片式热电偶；压杆支撑块(3)通过压紧螺母(2)固定在阶梯支撑轴(4)上端，压杆(1)位于压杆支撑块(3)中心处，通过螺纹与压杆支撑块(3)连接，通过压杆支撑块(3)使水冷模块(5)、热电模组和电加热平台(11)三者相接触。

2.根据权利要求1所述的一种热电模组发电性能测试平台，其特征在于：所述压杆支撑块(3)为十字形支撑块。

3.根据权利要求1所述的一种热电模组发电性能测试平台，其特征在于：所述支撑底板(15)与加热平台支撑板(13)间等距安装有压力传感器(14)为四个，所述四个压力传感器均布在加热平台支撑板(13)和支撑底板(15)之间。

4.根据权利要求1所述的一种热电模组发电性能测试平台，其特征在于：所述电加热平台(11)两侧分别设有一组贴片式热电偶，所述一组贴片式热电偶为两个。

5.根据权利要求1所述的一种热电模组发电性能测试平台，其特征在于：所述水冷块(5)下表面两侧分别设有另一组贴片式热电偶，所述另一组贴片式热电偶为两个。