CN106093654A - 热电模组热电转换效率的测试装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电模组热电转换效率的测试装置及其测试方法。加热台保护栏围在电加热台侧面周围，电加热台上安装有用于安装热电模组的测量组件，支撑杆上部固定有将测量组件压紧的压紧组件；底板上设有外罩，底板和外罩的内部空间的空隙填充绝热材料；对热电模组热端进行加热，对热电模组冷端进行冷却，通过压紧装置施加压力保证各连接面良好接触，使热电模组两端保持稳定温差并产生电动势；通过外围电路及上下标准测量块上测量得到的温度值计算得到热电模组在不同条件下的输出功率及热端输入热流量，得到其转换效率。本发明能够全面测试热电模组在不同压力、不同温差下的各项热电性能参数，为综合评价热电模组性能提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及测试装置与测试方法，尤其是涉及一种热电模组热电转换效率的测试装置及其测试方法。
背景技术
温差发电作为一种直接将热能转化为电能的新型发电形式，具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等诸多优点。一方面为部分供电不便的场合提供了一种新的供电形式，如太空探索、偏远地区远距离信号传输、海上无人信号灯、体内微型机器人等；另一方面在余热回收方面也表现出了巨大的潜力，当今社会中，壁炉、炼钢厂、汽车尾气等都存在大量余热浪费情况，对这些低品位热源，温差发电提供了一种新的利用形式，如果能对这些余热加以回收，将会产生巨大的经济效益。
在将热能转化为电能的温差发电器件中，热电模组作为核心部件，一般由上下陶瓷板、导电电极，P型热电臂、N型热电臂等构成。P、N型热电臂依次交替排列，并通过导电电极串联起来，上下端面盖上陶瓷板起绝缘保护作用。当热电模组两端存在温差时，P型热电臂中空穴与N型热电臂中的电子在热端浓度较高，载流子受热激发由热端向冷端移动，从而形成温差电动势。
热电模组的性能受到材料、制备工艺等影响，更是对热电模组的应用起到了决定性的作用，因此需要合适的测量装置来测试热电模组的性能，传统的测试装置一般只能测试热电模组的开环输出电压及输出功率，无法得到热电模组转换效率这一重要数据；而测试热电模组转换效率的装置所采用的热流量传感器成本高、使用复杂。查阅相关专利可知，武汉理工大学于2015年申请了专利“一种热电模块特性测试装置”(专利申请号：201510731043.1)，该专利搭建了一个测量热电模组特性的装置，由试验台架、热电模组、恒温热源、冷端换热器、电子负载、水箱、水泵、冷却装置、热端温度控制装置、冷端温度控制装置、数据采集器、电源等部分组成，但只能测试得到热电模块的电压、电流、电阻和功率参数，无法测量转换效率；中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司于2014年申请了专利“热电模块的测试系统及热电模块的测试方法”(专利申请号：201410256942.6)，该专利搭建了一个测试系统包括电学性能测试单元、热通量检测单元和处理器，能够测量计算得到热电转换效率，但其通过布置多个热流片测量冷端热流量，成本高，使用复杂，也无法直接获得输入热流量等数据，同时因为没有绝热存在热损失造成测量不准确问题。
基于上述背景，提出一种热电模组热电转换效率的测试装置，该测试装置可准确测量得到施加于热电模组的压力大小、模组的冷热端温度等测试参数以及热电模组内阻、输出电压、输出功率、转换效率等性能参数，对获取热电模组在不同外部压力、不同温度差下的性能输出从而综合评价热电模组的热电性能具有重要意义。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种热电模组热电转换效率的测试装置及其测试方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种热电模组热电转换效率的测试装置：
装置包括外罩、绝热材料、支撑杆、热电模组、加热台保护栏、电加热台和底板；电加热台通过底部四角的支撑螺钉水平固定在底板上，四根支撑螺钉均布布置，三根支撑杆沿周围竖直固定在底板上，加热台保护栏套在三根支撑杆的下部，加热台保护栏围在电加热台侧面周围，加热台保护栏和电加热台之间具有间隙，电加热台上安装有用于安装热电模组的测量组件，支撑杆上部固定有压紧组件，压紧组件位于测量组件上方将测量组件压紧；底板上设有用于封装围绕起来的外罩，测量组件、压紧组件、电加热台和三根支撑杆均置于在底板和外罩之间形成的内部空间中，底板和外罩之间形成的内部空间中的空隙均填充绝热材料。
所述的测量组件包括上标准测量块、下标准测量块和水冷头，下标准测量块、热电模组、上标准测量块和水冷头从下到上依次置于电加热台上，热电模组下端为热端并与下标准测量块相接触，上端为冷端与上标准测量块相接触，上标准测量块和下标准测量块侧壁的上部和下部均安装有一铠装热电偶，热电模组两电极与外围测试电路相连，水冷头设有与水源连接的入口和出口。
所述上标准测量块靠近水冷头的侧壁上部、热电模组的侧壁下部处均开有小孔，并分别安装一组铠装热电偶。
所述下标准测量块靠近热电模组的侧壁上部、电加热台的侧壁下部处均开有小孔，并分别安装一组铠装热电偶。
所述的压紧组件包括压紧块、压力传感器、压紧螺母和弹簧，压紧块套在三根支撑杆上，三根支撑杆顶端均通过螺纹套有压紧螺母，压紧螺母和压紧块顶面之间连接有弹簧，弹簧套在支撑杆；所述测量组件的水冷头顶面与压紧块底面之间设有用于测量施加于热电模组压力值的三组压力传感器，三组压力传感器沿压紧块压力施加方向布置，压紧螺母通过弹簧对压紧块施加压力，进而通过所述测量组件的水冷头传递到热电模组，使得水冷头、上标准测量块、热电模组、下标准测量块、电加热台之间各接触面良好接触。
所述的支撑杆底部为阶梯轴结构，小端在上，大端在下，加热台保护栏定位安装在阶梯轴的轴肩上，起支撑起保护作用。
所述上标准测量块和下标准测量块为铜、铝合金等具有热导率大于50W/(m·K)的高热导率材料，且已知热导率值。
所述水冷头内腔带有翅片结构，使得内腔在入口和出口之间形成S形流道。
所述的外围测试电路包括滑动变阻器RLoad、电压表和电流表滑动变阻器RLoad和热电模组串联构成闭合回路，电压表测量输出电压，电流表测量回路电流。(热电模组就是相当于电源Uoc和内阻Rin部分，可以理解为一个干电池)
通过调节滑动变阻器RLoad的阻值，得到热电模组在不同外部负载下的输出电压和输出电流，进而计算热电模组内阻Rin，并计算得到热电模组的最大输出功率Pout。
二、一种热电模组热电转换效率的测试方法：
1)将电加热台工作产生热量，电加热台的热流经下标准测量块进入热电模组，热电模组中的部分热量转变成电能输出，剩余热量从上标准测量块流出；
2)通过下标准测量块和上标准测量块侧壁安装的铠装热电偶测量得到的温度值，采用以下公式计算获得进入热电模组热流量，并进一步获得热电转换效率：
Qin＝(λ×A/d12)×(T1-T2)
其中，Qin表示进入热电模组的热流量，λ为下标准测量块的材料热导率，A为下标准测量块与热电模组之间连接端面的接触面积，d12为下标准测量块侧壁上、下部安装的铠装热电偶的两测温点的中心垂直距离，T1为下标准测量块下部铠装热电偶的测温点的温度，T2为下标准测量块上部铠装热电偶的测温点的温度；
3)通过调节外围测试电路获得热电模组在不同滑动变阻器阻值RLoad下的输出电压和输出电流，进而计算热电模组内阻Rin，并计算得到的最大输出功率Pout，采用以下公式计算获得热电模组的转换效率：
η＝Pout/Qin。
其中，Qin表示进入热电模组的热流量，RLoad是滑动变阻器的阻值，Rin是热电模组的内阻。
本发明进一步采用以下公式计算得到热电模组热端和冷端的端面温度：
Thot＝T2-[(T1-T2)×b/d12]
Tcold＝T3+[(T3-T4)×c/d34]
其中，Thot表示热电模组热端的端面温度，Tcold表示热电模组冷端的端面温度，T1为下标准测量块下部铠装热电偶的测温点的温度，T2为下标准测量块上部铠装热电偶的测温点的温度，T3为上标准测量块下部铠装热电偶的测温点的温度，T4为上标准测量块上部铠装热电偶的测温点的温度；d12为下标准测量块侧壁上、下部安装的铠装热电偶的两测温点的中心垂直距离，d34为上标准测量块侧壁上、下部安装的铠装热电偶的两测温点的中心垂直距离，b为下标准测量块上部铠装热电偶的测温点和热电模组热端端面之间的垂直距离，c为上标准测量块下部铠装热电偶的测温点和热电模组冷端端面之间的垂直距离。
本发明采用温度可控的电加热台对热电模组热端进行加热，采用控制通过水冷头的冷却水流量及流速(水冷头本身没法控制水流量，控制的是外部的水泵)对热电模组冷端进行冷却，并通过压紧装置施加压力保证各连接面良好接触，从而使热电模组两端保持稳定温差并产生电动势，压紧装置的弹簧为系统热膨胀提供保护；通过外围电路及上下标准测量块上测量得到的温度值可以计算得到热电模组在不同条件下的输出功率及热端输入热流量，从而得到其转换效率。
本发明具有的有益效果是：
1.该测试装置可通过控制电加热台温度对热电模组热端进行加热，控制水冷块冷却水水流量和流速对热电模组冷端进行冷却，并通过压紧装置压紧保证各连接平面有良好接触，从而使热电模组两端保持稳定温差并产生电动势；
2.该测试装置中弹簧可为测试过程中装置热膨胀提供保护；
3.该测试装置可以通过上下标准测量块测量得到的温度值计算得到热电模组冷端、热端的温度值；
4.该测试装置可通过外围电路测试计算得到热电模组在不同的温差及不同的外部压力下，热电模组的开环电压、内阻、输出功率，通过上下标准测量块测试计算得到输入热电模组的热流量，从而计算得到热电模组的转换效率；
本发明装置结构简单，经济实用，可准确测试得到施加于热电模组的压力大小、模组的冷热端温度等测试参数以及热电模组内阻、输出电压、输出功率、转换效率等性能参数，对获取热电模组在不同外部压力、不同温度差下的性能输出从而综合评价热电模组的热电性能具有重要意义。
附图说明
图1是本发明测试装置的主视图。
图2是本发明测试装置去除了外罩和绝热材料后的左视图。
图3是本发明测试装置去除绝热材料后的俯视图。
图4是本发明水冷头结构图。
图5是本发明热流量测试计算原理图。
图6是本发明的外围测试电路。
图中：1、外罩，2、绝热材料，3、支撑杆，4、压紧螺母，5、弹簧，6、压紧块，7、压力传感器，8、水冷头，9、上标准测量块，10、铠装热电偶，11、热电模组；12、下标准测量块，13、加热台保护栏，14、电加热台，15、支撑螺钉，16、底板。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3所示，本发明包括外罩1、绝热材料2、支撑杆3、压紧螺母4、弹簧5、压紧块6、压力传感器7、水冷头8、上标准测量块9、铠装热电偶10、热电模组11、下标准测量块12、加热台保护栏13、电加热台14、支撑螺钉15和底板16。
三组支撑杆3通过螺纹连接固定于底板16上，并依次布置加热台保护栏13、压紧块6、弹簧5、压紧螺母4；电加热台14通过四组均布支撑螺钉15支撑于底板16之上，电加热台14四周的加热台保护栏13通过支撑杆3的轴肩定为支撑起保护作用；热电模组11热端通过下标准测量块12与电加热台14相接触，冷端通过上标准测量块9与水冷头8相接触，上标准测量块9、下标准测量块12某一侧面在靠近两接触端面处各安装一组铠装热电偶10，热电模组11两电极与外围测试电路相连；水冷头8与压紧块6之间沿压紧块6压力施加方向布置三组压力传感器7用于测量施加于热电模组11压力值；压紧螺母4通过弹簧5对压紧块6施加压力；整个装置通过外罩1围绕起来，并在内部填充绝热材料2。
如图1、图3所示，测试装置在外罩1里填充绝热材料2，使热流由电加热台14依次通过下标准测量块12、热电模组11、上标准测量块9，最后经过水冷头8由冷却水带走，尽可能减小周围热损失，保证测量结果的准确性。
如图1、图2、图3所示，三组支撑杆3作为支撑模块通过螺纹连接固定于底板16上，加热台保护栏13通过第一个轴肩定位支撑，支撑杆3最上端带有螺纹，压紧螺母4通过支撑杆3上的螺纹向下旋转，通过弹簧5对压紧块6施加压力。
如图1、图2所示，该测试装置热源由一温度可控的电加热台14提供，通过四组均布的支撑螺钉15固定于底板16之上，外围由加热台保护栏13围绕起保护作用，以免烫伤或发生危险。
如图1、图2所示，热电模组11冷端的冷却形式为水冷，水冷头8有两个接口，冷却水通过水泵由水冷头8一个接口进入，另一个接口流出，水冷头8内部带有翅片结构，如图4所示，增大换热面积，同时翅片交替排列可扰动冷却水从而增大对流系数。通过控制水泵功率可控制冷却水流量及流速，从而控制冷端温度。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
如图5所示，热电模组11由P、N型热电臂、导电电极和陶瓷板组成。P、N型热电臂依次交替排列，通过导电电极串联起来，上下覆盖有陶瓷板起绝缘保护作用。热电模组11热端与下标准测量块12上表面相连，冷端与上标准测量块9下表面相连，热流从下标准测量块12进入热电模组11然后从上标准测量块9流出。实验采用的上标准测量块9和下标准测量块12的材料均是铜，热导率为116.7W/(m·K)
上标准测量块9、下标准测量块12上各有两个小孔安装铠装热电偶，分别测量得到该点温度值，在忽略微量侧面热损失情况下，进入热电模组11的热流量与经过下标准测量块12的热流量相等，进入热电模组11后部分热流转变成电能输出，并产生帕尔帖热和焦耳热，最后从上标准测量块9流出。因此，进入热电模组11的热流量Qin＝(λ×A/d12)×(T1-T2)，其中λ为下标准测量块12的材料热导率，A为下标准测量块12与热电模组11接触面积，d12为下标准测量块12两测温点中心距离。同样的，由于上标准测量块9、下标准测量块12由下往上的温度梯度是相等的，可计算得到热电模组热端的温度Thot＝T2-[(T1-T2)*b/d12]，热电模组冷端的温度Tcold＝T3+[(T3-T4)*c/d34]。
实施例的各个温度数据为如下表：
表1
| 温度T1/℃ | 62.2 | 115.4 | 157 | 210.2 |
| 温度T2/℃ | 60.2 | 111.2 | 150.7 | 201.3 |
| 温度T3/℃ | 28 | 35 | 40 | 47 |
| 温度T4/℃ | 27 | 31 | 34 | 39 |
获得的热端和冷端温度如下表：
表2
各组实验获得的热流量Qin如下：
表3
如图1、图2，图3所示，压紧螺母4、弹簧5、压紧块6组成压紧装置，通过旋转压紧螺母4向下提供压力，压紧块6与压紧螺母4之间布置弹簧5，当测试装置在测试过程中，包括热电模组11在内等部件受热膨胀，弹簧5被压缩为装置提供保护，避免产生过大的热应力对装置造成破坏。水冷头8与压紧块6之间布置有三组压力传感器7，布置方向沿压紧块6压力施加方向。压力传感器7可实时显示压紧装置施加于热电模组11的压力大小，用于研究不同外部压力对热电模组11热电性能的影响；三组压力传感器7沿压紧块6压力施加方向布置，用于平衡三个方向施加压力的大小，保证所施加的压力方向是垂直于被测热电模组11。
如图6所示，热电模组11在接入外部负载时，当两端存在温差其相当于一个电源对外部供电，可以将其等效于一个理想电压源与电阻串联，其中Uoc等于热电模组11的开环电压，Rin等于热电模组11内阻。测试时，将热电模组11两电极引出接入一滑动变阻器RLoad，从而构成一个闭合回路，用电流表与电压表实时监控回路电流I与输出电压Uout。根据欧姆定律和基尔霍夫定律有：Uout＝Uoc-I*Rin，由该公式可知输出电压Uout与回路电流I成线性关系，其斜率的绝对值即热电模组11的内阻Rin，其在y轴上的截距即热电模组11的开环电压。通过改变滑动变阻器阻值，可以得到在不同外部负载下的输出电压Uout和回路电流I，最后采用最小二乘法进行拟合减小误差，从而得到热电模组11的内阻值Rin与开环电压Uout。在忽略焦耳效应和帕尔帖效应情况下，一般认为当外部负载RLoad与内阻Rin相等，即RLoad＝Rin时，输出功率最大Pout＝(Uoc*Uoc)/(4*Rin)。
实施例进行了四组不同阻值的测试，如下表：
表4
对应获得结果如下表
表5
再根据之前测试计算得到的输入热流量Qin即可得热电模组11的转换效率η＝Pout/Qin。结果如下表：
表6
本发明装置结构简单，经济实用，可准确测试得到施加于热电模组的压力大小、热电模组的冷热端温度等测试参数以及热电模组内阻、输出电压、输出功率、转换效率等性能参数，对获取热电模组在不同外部压力、不同温度差下的性能输出从而综合评价热电模组的热电性能具有重要意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：包括外罩(1)、绝热材料(2)、支撑杆(3)、热电模组(11)、加热台保护栏(13)、电加热台(14)和底板(16)；电加热台(14)通过底部四角的支撑螺钉(15)水平固定在底板(16)上，三根支撑杆(3)沿周围竖直固定在底板(16)上，加热台保护栏(13)套在三根支撑杆(3)的下部，加热台保护栏(13)围在电加热台(14)侧面周围，加热台保护栏(13)和电加热台(14)之间具有间隙，电加热台(14)上安装有用于安装热电模组(11)的测量组件，支撑杆(3)上部固定有压紧组件，压紧组件位于测量组件上方将测量组件压紧；底板(16)上设有用于封装围绕起来的外罩(1)，底板(16)和外罩(1)之间形成的内部空间中的空隙均填充绝热材料(2)。
2.根据权利要求1所述的一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：所述的测量组件包括上标准测量块(9)、下标准测量块(12)和水冷头(8)，下标准测量块(12)、热电模组(11)、上标准测量块(9)和水冷头(8)从下到上依次置于电加热台(14)上，热电模组(11)下端为热端并与下标准测量块(12)相接触，上端为冷端与上标准测量块(9)相接触，上标准测量块(9)和下标准测量块(12)侧壁的上部和下部均安装有一铠装热电偶(10)，热电模组(11)两电极与外围测试电路相连，水冷头(8)设有与水源连接的入口和出口。
3.根据权利要求1所述的一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：所述的压紧组件包括压紧块(6)、压力传感器(7)、压紧螺母(4)和弹簧(5)，压紧块(6)套在三根支撑杆(3)上，三根支撑杆(3)顶端均通过螺纹套有压紧螺母(4)，压紧螺母(4)和压紧块(6)顶面之间连接有弹簧(5)，弹簧(5)套在支撑杆(3)；所述测量组件顶面与压紧块(6)底面之间沿水平面周围均布地设有用于测量施加于热电模组(11)压力值的三组压力传感器(7)，三组压力传感器(7)沿压紧块(6)压力施加方向布置，压紧螺母(4)通过弹簧(5)对压紧块(6)施加压力，进而通过所述测量组件传递到热电模组(11)。
4.根据权利要求1所述的一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：所述的支撑杆(3)底部为阶梯轴结构，加热台保护栏(13)定位安装在阶梯轴的轴肩上。
5.根据权利要求1所述的一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：所述上标准测量块(9)和下标准测量块(12)为铜、铝合金等具有热导率大于50W/(m·K)的高热导率材料，且已知热导率值。
6.根据权利要求1所述的一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：所述水冷头(8)内腔带有翅片结构。
7.根据权利要求1所述的一种热电模组热电转换效率的测试装置，其特征在于：所述的外围测试电路包括滑动变阻器RLoad、电压表和电流表，滑动变阻器RLoad和热电模组(11)串联起来构成闭合回路，电压表测量输出电压，电流表测量回路电流。
8.应用于权利要求1～7任一所述的一种热电模组热电转换效率的测试方法，其特征在于：
1)通过压紧组件施加压力，使得下标准测量块(12)、热电模组(11)、上标准测量块(9)和水冷头(8)相邻之间的连接端面紧密接触；
接着电加热台(14)工作产生热量，电加热台(14)的热流经下标准测量块(12)进入热电模组(11)，热电模组(11)中的部分热量转变成电能输出，剩余热量从上标准测量块(9)流出；
2)通过下标准测量块(12)和上标准测量块(9)侧壁安装的铠装热电偶(10)测量得到的温度值，采用以下公式计算获得进入热电模组(11)热流量，并进一步获得热电转换效率：
Qin＝(λ×A/d12)×(T1-T2)
其中，Qin表示进入热电模组(11)的热流量，λ为下标准测量块(12)的材料热导率，A为下标准测量块(12)与热电模组(11)之间连接端面的接触面积，d12为下标准测量块(12)侧壁上、下部安装的铠装热电偶的两测温点的中心垂直距离，T1为下标准测量块(12)下部铠装热电偶的测温点的温度，T2为下标准测量块(12)上部铠装热电偶的测温点的温度；
3)通过调节外围测试电路获得热电模组(11)在不同滑动变阻器阻值RLoad下的输出电压和输出电流，进而计算热电模组(11)内阻Rin，并计算得到最大输出功率Pout，采用以下公式计算获得热电模组(11)的转换效率：
η＝Pout/Qin
其中，Qin表示进入热电模组(11)的热流量，RLoad是滑动变阻器的阻值，Rin是热电模组(11)的内阻。
9.根据权利要求8所述的一种热电模组热电转换效率的测试方法，其特征在于：所述步骤获得转换效率后，进一步采用以下公式计算得到热电模组热端和冷端的端面温度：
Thot＝T2-[(T1-T2)×b/d12]
Tcold＝T3+[(T3-T4)×c/d34]
其中，Thot表示热电模组热端的端面温度，Tcold表示热电模组冷端的端面温度，T1为下标准测量块(12)下部铠装热电偶的测温点的温度，T2为下标准测量块(12)上部铠装热电偶的测温点的温度，T3为上标准测量块(9)下部铠装热电偶的测温点的温度，T4为上标准测量块(9)上部铠装热电偶的测温点的温度；d12为下标准测量块(12)侧壁上、下部安装的铠装热电偶的两测温点的中心垂直距离，d34为上标准测量块(9)侧壁上、下部安装的铠装热电偶的两测温点的中心垂直距离，b为下标准测量块(12)上部铠装热电偶的测温点和热电模组热端端面之间的垂直距离，c为上标准测量块(9)下部铠装热电偶的测温点和热电模组冷端端面之间的垂直距离。
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