CN108828364A - 一种温差发电模块性能实验测试装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种温差发电模块性能实验测试装置及实现方法，所述装置包括气缸、法兰板、缓冲垫、水冷散热器、铜板、热电偶、温差发电模块、参考材料、主加热器、辅助加热器、隔热板、气管、空气压缩机、连接水管、数据采集仪、电子负载、高低温恒温槽、PID温控器、真空腔体。本装置通过调节热源和冷源温度，不同压紧力以及不同负载下的温差发电模块的热电性能参数，测定温差发电模块的发电性能。本公开所述装置简易可控，对温差发电模块性能参数测量精度高，操作简单，充分利用循环水资源，对环境无污染。

Description

一种温差发电模块性能实验测试装置及实现方法

技术领域

本公开属于可再生能源发电技术领域，特别涉及一种温差发电模块性能实验装置及实现方法。

背景技术

随着世界经济和工业生产的发展，人们对能源的需求日益扩大。一方面风能、太阳能等可持续再生能源成为现今的研究热点方向；另一方面，低品位的余热废热能源进入人们的视线。温差发电技术通过半导体材料的塞贝克效应直接将热能转化为电能，可对余热废热能源进行回收利用，是一种环保绿色的新型发电技术，具有良好的社会环境、经济效益，在环境保护和能源充分可持续利用等方面具有很大的前景。

目前，对于温差发电器件测试的研究主要集中在热电材料及微型热电器件。对于温差发电器件的测量方案，以及如何快速、准确的评估温差发电器件的综合性能仍然是一个难题。因此，对热电器件性能参数测量的实验方案研究有着极其重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种温差发电模块性能实验装置，能克服现有的温差发电模块性能参数测试系统中不能调节多因素与准确测量热流及温度的弊端，实现在不同温差，不同压紧力以及不同负载工况下对温差发电模块的性能参数的准确测量。

为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采取的技术方案：

一种温差发电模块性能实验装置，所述装置包括：所述装置包括：

气缸(1)、水冷散热器(4)、温差发电模块(7)、主加热器(9)、电子负载(16)；

所述气缸(1)用于为温差发电模块(7)提供不同的压紧力；

所述水冷散热器(4)用于冷却温差发电模块(7)的冷端；

所述温差发电模块(7)与外电路相连，用于将温差转换为电能；

所述主加热器(9)用于为温差发电模块(7)热端提供热量；

所述电子负载(16)用于向温差发电模块(7)提供不同负载。

本公开还揭示了一种温差发电模块性能实验装置的实现方法，所述方法包括以下步骤：

S100、将温差发电模块(7)固定在水冷散热器(4)以及参考材料(8)下的第一铜板(5)和主加热器(9)上的第二铜板(6)之间；

S200、根据水冷散热器(4)和主加热器(9)的温度变化，测定温差发电模块(7)输出的功率；

S300、根据电子负载(16)改变，测定温差发电模块(7)输出的功率。

S400、根据气缸(1)提供的压力改变，测定温差发电模块输出的功率。

与现有技术比，本公开的有益效果是，所述装置能够克服现有的温差发电模块性能参数测试系统中不能调节多因素与准确测量热流及温度的弊端，能够实现不同压紧力、冷热端温度、热流以及负载条件下对温差发电模块性能参数的实验测试，装置简易可控，测量精度高，对环境无污染，充分利用循环水资源。

附图说明

图1为本公开一个实施例中提供的温差发电模块性能实验装置的结构示意图，

附图标记说明：1-气缸、2-法兰板、3-缓冲垫、4-水冷散热器、5-第一铜板、6-第二铜板、7-温差发电模块、8-参考材料、9-主加热器、10-辅助加热器、11-隔热板、12-气管、13-空气压缩机、14-连接水管、15-数据采集仪、16-电子负载、17-高低温恒温槽、18-PID温控器、19-真空腔体、20-第一热电偶、21-第二热电偶、22-第三热电偶、23第四热电偶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理作进一步详细说明。

在一个实施例中，本公开揭示了一种温差发电模块性能实验装置，所述装置包括：气缸(1)、水冷散热器(4)、温差发电模块(7)、主加热器(9)、电子负载(16)；

所述气缸(1)用于为温差发电模块(7)提供不同的压紧力；

所述水冷散热器(4)用于冷却温差发电模块(7)的冷端；

所述温差发电模块(7)与外电路相连，用于将温差转换为电能；

所述主加热器(9)用于为温差发电模块(7)热端提供热量；

所述电子负载(16)用于向温差发电模块(7)提供不同负载。

在本实施例中，所述装置能够克服现有的温差发电模块性能参数测试系统中不能调节多因素与准确测量热流及温度的弊端，能够实现不同压紧力、冷热端温度、热流以及负载条件下对温差发电模块性能参数的实验测试，装置简易可控，测量精度高，对环境无污染，充分利用循环水资源。

在一个实施例中，所述装置还包括法兰板(2)、缓冲垫(3)、第一铜板(5)、第二铜板(6)、参考材料(8)、辅助加热器(10)、隔热板(11)、气管(12)、空气压缩机(13)、连接水管(14)、数据采集仪(15)、高低温恒温槽(17)、PID温控器(18)、真空腔体(19)、第一热电偶(20)、第二热电偶(21)、第三热电偶(22)、第四热电偶(23)；

所述法兰板(2)用于固定气缸(1)；

所述缓冲垫(3)用于缓冲气缸(1)的活塞杆向水冷散热器(4)提供的冲击应力；

所述第一铜板(5)、第二铜板(6)用于辅助测量温差发电模块(7)冷热端的表面温度与均匀温差发电模块(7)表面的热量；

所述参考材料(8)通过第一、第二热电偶(20)、(21)计算温差发电模块(7)冷端热流；

所述辅助加热器(10)用于避免主加热器(9)的热散失；

所述隔热板(11)用于使辅助加热器(10)与实验台面相绝热；

所述气管(12)用于连接气缸(1)和空气压缩机(13)，使压缩气体能够进入气缸(1)；

所述空气压缩机(13)用于压缩空气；

所述连接水管(14)用于使冷却水在水冷散热器(4)和高低温恒温槽(17)之间循环；

所述数据采集仪(15)用于记录热电偶(20)、(21)、(22)和(23)的温度信号以及主加热器(9)的电压电流信号，从而获得主加热器(9)流入温差发电模块(7)的热量；

所述高低温恒温槽(17)用于冷却循环水；

所述PID温控器(18)用于调节控制主加热器(9)与辅助加热器(10)的温度与功率；

所述真空腔体(19)用于放置所述实验装置中的部件，以避免热对流的影响；

所述第一、第二、热电偶(20)、(21)用于测量参考材料(8)不同位置的温度；

所述第三、第四热电偶(22)和(23)用于测量温差发电模块(7)冷热两面的温差。

在本实施例中，在真空腔体(19)底部，隔热板(11)通过螺栓固定放置，辅助加热器(10)下热端面通过螺钉固定在隔热板(11)上方，主加热器(9)位于辅助加热器中央，主加热器(9)上端面与第二铜板(6)接触，其余面为辅助加热器(10)所环绕，在辅助加热器(10)与主加热器(9)空隙之间填充绝热材料；主加热器(9)与辅助加热器(10)均由PID温控器(18)调节加热器温度；温差发电模块(7)位于参考材料(8)与主加热器(9)之间；主加热器(9)的顶部上的第二铜板(6)和温差发电模块(7)的热面接触；温差发电模块(7)的冷面和第一铜板(5)紧贴，所述第一铜板(5)固定在参考材料(8)底部；高低温恒温槽(17)中的内置水泵将水抽出，通过连接水管(14)在水冷散热器(4)与恒温槽(17)中实现冷水循环；温差发电模块(7)冷热两面的温差分别由固定在第一铜板(5)、第二铜板凹槽内的第三热电偶(22)、第四热电偶(23)测量，参考材料不同位置的温度由参考材料定位孔中的第一热电偶(20)和第二热电偶(21)测量，数据采集仪(15)采集热电偶的温度以及主加热器(9)的电压和电流；温差发电模块(7)的正负极引脚分别通过导线与电子负载(16)正负极相连接；法兰板(2)通过螺母螺杆固定在水冷散热器(4)上方，法兰板(2)下端面高于水冷散热器(1)上端面；气缸通过螺丝固定在法兰板(2)上端面，空气压缩机(13)与气缸(1)通过气管(12)相连，通气时气缸活塞杆活动与缓冲垫(3)接触，为下方提供压紧力。

在本实施例中，通过测量参考材料不同位置的温度，从而根据不同位置的温度和第一热电偶(20)、第二热电偶(21)两个位置之间的垂直距离，以及参考材料的热导率和表面面积，计算流过参考材料的热流，即温差发电模块冷端热流。

在一个实施例中，所述主加热器(9)位于辅助加热器中央，主加热器(9)上端面与第二铜板(6)接触，其余面为辅助加热器(10)所环绕，在辅助加热器(10)与主加热器(9)空隙之间填充绝热材料。

在本实施例中，所述绝热材料能够避免主加热器与辅助加热器之间的热耦合，使热辐射可以忽略，同时可以固定主加热器位置。

在一个实施例中，所述参考材料(8)选用热稳定性高，热导率已知的材料，例如：硼硅酸盐玻璃、熔凝石英玻璃。

在本实施例中，所述参考材料用于计算通过的热流量，根据已知参考材料的热导率，横截面积，两个不同点的距离和温度差，就能够计算出通过参考材料的热流，即通过温差发电模块冷端的热流。

在一个实施例中，所述绝热材料选用热导率低，易于加工的材料，例如：硅酸铝陶瓷纤维。

在本实施例中，所述绝热材料的热导率＜0.5mK/W，所述绝热材料能够避免主加热器与辅助加热器之间的热耦合，使热辐射可以忽略。

在一个实施例中，所述制成水冷散热器(4)选用热导率高的材料，例如：铝、铜。

在本实施例中，所述水冷散热器用于冷却温差发电模块的冷端，选用热导率高的材料能获得较高的冷却效率。

在一个实施例中，所述隔热板(11)上打有定位孔，用于定位辅助加热器(10)以及法兰板(2)。

在本实施例中，所述隔热板上的定位孔用于将辅助加热器以及法兰板定位到合适的位置上。

在一个实施例中，所述气缸(1)、法兰板(2)、缓冲垫(3)、水冷散热器(4)、铜板(5)(6)、温差发电模块(7)、参考材料(8)、主加热器(9)、辅助加热器(10)、隔热板(11)放置于真空腔体(19)内，气管(12)、连接水管(14)、热电偶(20)(21)(22)(23)连接真空腔体内和腔体外设备。

在本实施例中，将所述装置的部分部件置于真空腔体内，避免了热辐射的影响。

在一个实施例中，所述第一、第二铜板内开有槽，所述第三、第四热电偶置于所述槽中。

在本实施例中，所述第三第四热电偶置于第一、第二铜板内开的槽内，用于测量温差发电模块(7)冷热两面的温差。

在一个实施例中，如图1所示，本公开揭示了一种温差发电模块性能实验装置，包括气缸1、法兰板2、缓冲垫3、水冷散热器4、第一铜板5、第二铜板6、温差发电模块7、参考材料8、主加热器9、辅助加热器10、隔热板11、气管12、空气压缩机13、连接水管14、数据采集仪15、电子负载16、高低温恒温槽17、PID温控器18、真空腔体19、第一热电偶20、第二热电偶21、第三热电偶22、第四热电偶23；

隔热板11通过螺栓固定放置在真空腔体19底部，辅助加热器10下热端面通过螺钉固定在隔热板11上方，主加热器9位于辅助加热器10中央，主加热器9一面与导热铜板5接触，其余面均被辅助加热器10环绕，在辅助加热器10与主加热器9之间填充绝热材料；主加热器9与辅助加热器10均由PID温控器18调节加热器温度，使两个加热器的温度保持一致以保证主加热器热能全部输入给温差发电模块，避免主加热器其他热损失，因此可通过计算输入主加热器的电能来获得主加热器流入温差发电模块的热能；温差发电模块7被固定在参考材料8与主加热器9之间；主加热器9的顶部采用第二铜板6和温差发电模块7的热面接触；温差发电模块7的冷面和第一铜板5紧密压接，第一铜板5固定在参考材料8底部；高低温恒温槽17中的内置水泵将水抽出，通过连接水管14使水在水冷散热器4与恒温槽17中循环；温差发电模块7冷热两面的温差由固定在铜板5、6凹槽内的热电偶22、23测温，参考材料8内的温度由参考材料8的定位孔中的热电偶20、21进行测量，数据采集仪15采集20、21、22、23热电偶的温度以及主加热器9的电压和电流；温差发电模块7的正负极引脚分别通过导线与电子负载16正负极相连接；法兰板2通过螺母螺杆固定在水冷散热器4上端，法兰板2下端面高于水冷散热器1上端面；气缸通过螺丝固定在法兰板2上端面，空气压缩机13与气缸1通过气管12相连，通气时气缸活塞杆活动与缓冲垫3相连，为下方提供压紧力。

在一个实施例中，本公开还揭示了一种温差发电模块性能实验装置的实现方法，所述方法包括以下步骤：

S100、将温差发电模块固定在水冷散热器以及参考材料下的第一铜板和主加热器上的第二铜板之间；

S200、根据水冷散热器和主加热器的温度变化，测定温差发电模块输出的功率；

S300、根据电子负载改变，测定温差发电模块输出的功率。

S400、根据气缸(1)提供的压力改变，测定温差发电模块输出的功率。

在本实施例中，所述温差发电模块7固定在水冷散热器4以及参考材料8下的第一铜板5和主加热器9上的第二铜板6之间，根据水冷散热器4和主加热器9的温度变化，温差发电模块7输出的功率会发生变化；如果与温差发电模块7连接的电子负载16发生改变或气缸1提供的压力改变，温差发电模块的输出功率也会随之相应改变。

电源为主加热器9以及辅助加热器10供电，为了确保主加热器9的总热能全部输入温差发电模块，通过PID温控器调节主加热器9以及辅助加热器10的温度及功率，控制辅助加热器10温度与主加热器9温度保持一致，测量主加热器9的电压与电流，获得主加热器9的功率，即温差发电模块热端热流。

高低温恒温槽17的内置水泵将水抽出，通过连接水管14注入到水冷散热器，再通过出水管送回高低温恒温槽17，冷水的不断循环，以维持温差发电模块7冷端温度。

热电偶固定在铜板5的凹槽以及参考材料8的不同位置中。固定在铜板凹槽中的热电偶22、23紧贴温差发电模块7，以精确测量温差发电模块7的冷热端温度；固定在参考材料8不同定位孔中的热电偶20、21测量不同位置温度，已知参考材料8的热导率以及不同位置坐标，可以计算温差发电模块冷端热流。

数据采集仪15记录热电偶位于参考材料不同位置的温度以计算温差发电模块7的冷端热流，同时采集温差发电模块7两端的温度，电子负载16记录温差发电模块的电压，电流以及功率，空气压缩机13的压力表读数计算压紧力大小，并测量输入主加热器9的电压与电流获得功率即为流入热电片热端的热流。通过改变温度、外负载以及压紧力，并按上述方法测量计算，可以获得不同工况下的温差发电模块的性能参数：热流，温度，压力，电压，电流以及功率。

以上所示，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种温差发电模块性能实验装置，其特征在于，所述装置包括：气缸(1)、水冷散热器(4)、温差发电模块(7)、主加热器(9)、电子负载(16)；

所述气缸(1)用于为温差发电模块(7)提供不同的压紧力；

所述水冷散热器(4)用于冷却温差发电模块(7)的冷端；

所述温差发电模块(7)与外电路相连，用于将温差转换为电能；

所述主加热器(9)用于为温差发电模块(7)热端提供热量；

所述电子负载(16)用于向温差发电模块(7)提供不同负载。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：优选的，所述装置还包括法兰板(2)、缓冲垫(3)、第一铜板(5)、第二铜板(6)、参考材料(8)、辅助加热器(10)、隔热板(11)、气管(12)、空气压缩机(13)、连接水管(14)、数据采集仪(15)、高低温恒温槽(17)、PID温控器(18)、真空腔体(19)、第一热电偶(20)、第二热电偶(21)、第三热电偶(22)、第四热电偶(23)；

所述法兰板(2)用于固定气缸(1)；

所述缓冲垫(3)用于缓冲气缸(1)的活塞杆向水冷散热器(4)提供的冲击应力；

所述第一铜板(5)、第二铜板(6)用于辅助测量温差发电模块(7)冷热端的表面温度及均匀温差发电模块(7)表面的热量；

所述参考材料(8)通过第一、第二热电偶(20)、(21)计算温差发电模块(7)冷端热流；

所述辅助加热器(10)用于避免主加热器(9)的热散失；

所述隔热板(11)用于使辅助加热器(10)与实验台面相绝热；

所述气管(12)用于连接气缸(1)和空气压缩机(13)，将空气压缩机(13)压缩的气体送入气缸(1)；

所述空气压缩机(13)用于压缩空气；

所述连接水管(14)用于使冷却水在水冷散热器(4)和高低温恒温槽(17)之间循环；

所述数据采集仪(15)用于记录热电偶(20)、(21)、(22)和(23)的温度，以及主加热器(9)的电压电流信号，从而获得主加热器(9)流入温差发电模块(7)的热量；

所述高低温恒温槽(17)用于冷却循环水；

所述PID温控器(18)用于调节控制主加热器(9)与辅助加热器(10)的温度与功率；

所述真空腔体(19)用于放置所述实验装置中的部件，以避免热辐射的影响；

所述第一、第二热电偶(20)、(21)用于测量参考材料(8)不同位置的温度；

所述第三、第四热电偶(22)和(23)用于测量温差发电模块(7)冷热两面的温差。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述主加热器(9)位于辅助加热器中央，主加热器(9)上端面与第二铜板(6)接触，其余面均为辅助加热器(10)所环绕，在辅助加热器(10)与主加热器(9)空隙之间填充绝热材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述参考材料(8)选用热稳定性高、热导率已知的材料，例如：硼硅酸盐玻璃、熔凝石英玻璃。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述绝热材料选用热导率低，易于加工的材料，例如：硅酸铝陶瓷纤维。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述制成水冷散热器(4)的材料选用热导率高的材料，例如：铝、铜。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述隔热板(11)上打有定位孔，用于定位辅助加热器(10)以及法兰板(2)。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述气缸(1)、法兰板(2)、缓冲垫(3)、水冷散热器(4)、第一、第二铜板(5)(6)、温差发电模块(7)、参考材料(8)、主加热器(9)、辅助加热器(10)、隔热板(11)放置于真空腔体(19)内，气管(12)、连接水管(14)、第一、第二、第三、第四热电偶(20)(21)(22)(23)连接真空腔体内和腔体外设备。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一、第二铜板(5)(6)内开有槽，所述第三、第四热电偶(22)、(23)置于所述槽中。

10.一种如权利要求2-9任一所述的温差发电模块性能实验装置的实现方法，所述方法包括以下步骤：

S100、将温差发电模块(7)固定在水冷散热器(4)以及参考材料(8)下的第一铜板(5)和主加热器(9)上的第二铜板(6)之间；

S200、根据水冷散热器(4)和主加热器(9)的温度变化，测定温差发电模块(7)输出的功率；

S300、根据电子负载(16)改变，测定温差发电模块(7)输出的功率；

S400、根据气缸(1)提供的压力改变，测定温差发电模块输出的功率。