CN109387711A - 一种温差发电模块性能实验装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种温差发电模块性能实验装置及实现方法，所述装置包括空气压缩机、气管、气缸、缓冲垫、水冷散热器、电子负载、热电偶、温差发电模块、加热片、铜板、水管、高低温恒温槽、PID温控器、数据采集仪、底板。本装置采用对称结构测量不同工况下两片相同的温差发电模块的热电性能参数，取平均值以排除实验偶然性，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。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

随着社会的进步，能源和环境问题已成为新世纪人类面临的最严峻挑战。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，具有无运动部件、无噪声污染、无废气排放、可靠性高等诸多优点，因此对温差发电技术进行研究不仅具有重要的理论意义，更具有重大的工程应用价值。

目前，对于温差发电器件测试的研究主要集中在热电材料。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，对温差发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，该装置采用对称结构测量不同工况下两片相同的温差发电模块的热电性能参数，取平均值以排除实验偶然性，装置小巧，操作简便，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：气缸、第一水冷散热器、第二水冷散热器、第一电子负载、第二电子负载、第一温差发电模块、第二温差发电模块和加热片；

所述气缸用于为第一、第二温差发电模块提供不同的压紧力；

所述第一、第二水冷散热器分别用于冷却第一、第二温差发电模块的冷端；

所述第一、第二电子负载分别与第一、第二温差发电模块相连，为其提供不同负载；

所述第一、第二温差发电模块用于将温差转换为电能；

所述加热片用于为第一、第二温差发电模块热端提供热量。

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、将第一温差发电模块固定在第一水冷散热器右侧的第一铜板和加热片左侧的第二铜板之间，第二温差发电模块固定在加热片右侧的第三铜板和第二水冷散热器左侧的第四铜板之间；

S200、根据水冷散热器和加热片的温度变化，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S300、根据电子负载的负载变化，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S400、根据气缸提供的压紧力改变，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S500、通过改变上述步骤中的温度、负载以及压紧力，可以获得不同工况下第一温差发电模块和第二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；

S600、对所述性能参数取平均值，得到温差发电模块最终的性能参数。

与现有技术比，本公开的有益效果是，所述装置采用对称结构可测量两片相同的温差发电模块性能，取平均值以排除实验偶然性，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，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精准测量，装置小巧，操作简便，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-空气压缩机、2-气管、3-气缸、4-第一缓冲垫、5-第二缓冲垫、6-第一水冷散热器、7-第二水冷散热器、8-第一电子负载、9-第二电子负载、10-第一热电偶、11-第二热电偶、12-第三热电偶、13-第四热电偶、14-第一温差发电模块、15-第二温差发电模块、16-加热片、17-第一铜板、18-第二铜板、19-第三铜板、20-第四铜板、21-水管、22-高低温恒温槽、23-PID温控器、24-数据采集仪、25-第一底板、26-第二底板。

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3、第一水冷散热器6、第二水冷散热器7、第一电子负载8、第二电子负载9、第一温差发电模块14、第二温差发电模块15和加热片16；

所述气缸1用于为第一温差发电模块14、第二温差发电模块15提供不同的压紧力；

所述第一水冷散热器6、第二水冷散热器7分别用于冷却第一温差发电模块14、第二温差发电模块15的冷端；

所述第一电子负载8、第二电子负载9分别与第一温差发电模块14、第二温差发电模块15相连，为其提供不同负载；

所述第一温差发电模块14、第二温差发电模块15将温差转换为电能；

所述加热片16用于为第一温差发电模块14、第二温差发电模块15热端提供热量。

在本实施例中，所述温差发电模块性能试验测试装置采用对称结构能够同时测量两片相同的温差发电模块性能，取平均值以排除实验偶然性，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，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精准测量，装置小巧，操作简便，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，所述装置还包括空气压缩机1、气管2、第一缓冲垫4、第二缓冲垫5、第一热电偶10、第二热电偶11、第三热电偶12、第四热电偶13、第一铜板17、第二铜板18、第三铜板19、第四铜板20、水管21、高低温恒温槽22、PID温控器23、数据采集仪24、第一底板25、第二底板26；

所述空气压缩机1用于压缩空气；

所述气管2用于连接空气压缩机1和气缸3，将空气压缩机1压缩的气体送入气缸3；

所述第一缓冲垫4和第二缓冲垫5分别用于缓冲第一底板25与第一水冷散热器6之间的冲击压力和气缸3的活塞杆与第二水冷散热器7之间的冲击压力；

所述第一热电偶10和第二热电偶11用于测量第一温差发电模块14冷端、热端表面温度；

所述第三热电偶12和第四热电偶13用于测量第二温差发电模块15热端、冷端表面温度；

所述第一铜板17、第二铜板18用于辅助测量第一温差发电模块14冷热端的表面温度及均匀第一温差发电模块14表面的热量；

所述第三铜板19、第四铜板20用于辅助测量第二温差发电模块15冷热端的表面温度及均匀第一温差发电模块15表面的热量；

所述连接水管21用于使冷却水在第一、第二水冷散热器6、7和高低温恒温槽22之间循环；

所述高低温恒温槽22用于冷却循环水；

所述PID温控器23用于调节控制加热片16的温度与功率；

所述数据采集仪24用于记录第一热电偶10、第二热电偶11、第三热电偶12、第四热电偶13的温度，以及加热片16的电压电流信号，从而获得加热片16流入第一、第二温差发电模块14、15的热量；

在本实施例中，螺杆通过第一底板25、第二底板26通过第一水冷散热器6、第二水冷散热器7上的通孔与螺母旋合，第一底板25、第二底板26固定放置，第一水冷散热器6、第二水冷散热器7纵向固定，在水平方向上可左右移动；第一底板25中心打孔，使用螺丝紧固第一缓冲垫4，气缸3的活塞杆与第二缓冲垫5使用螺丝进行固定；气缸通过螺丝固定在第二底板26右端面，空气压缩机1与气缸3通过气管2相连，通气时气缸3活塞杆连带第一缓冲垫4活动，为左侧温差发电主体装置提供压紧力；加热片16位于两片相同的第一、第二温差发电模块14、15中央，加热片16两侧对称垂直放置有相同的第一铜板17、第二铜板18、第三铜板19、第四铜板20、第一温差发电模块14、第二温差发电模块15和第一水冷散热器6、第二水冷散热器7，加热片16左、右端面分别与第二铜板18、第三铜板19接触，侧面填充绝热材料；加热片16由PID温控器23调节加热片温度；第一温差发电模块14冷面与第一水冷散热器6右侧的第一铜板17接触，热面与加热片16左侧的第二铜板18紧贴；第二温差发电模块15热面与加热片16右侧的第三铜板19接触，冷面和第二水冷散热器7左侧的第四铜板20紧贴；高低温恒温槽22中的内置水泵将水抽出，通过连接水管21在第一水冷散热器6、第二水冷散热器7与高低温恒温槽22中实现冷水循环；第一温差发电模块14冷热两面的温差分别由固定在第一铜板17、第二铜板18凹槽内的第一热电偶10、第二热电偶11测量，第二温差发电模块15冷热两面的温差分别由固定在第三铜板19、第四铜板20凹槽内的第三热电偶12、第四热电偶13测量，数据采集仪24采集热电偶的温度以及加热片16的电压和电流；第一温差发电模块14、第二温差发电模块15的正负极引脚分别通过导线与第一电子负载8、第二电子负载9正负极相连接。

在一个实施例中，所述加热片位于第一温差发电模块和第二温差发电模块之间，所述加热片一侧放置有第一铜板、第二铜板、第一温差发电模块、第一水冷散热器，加热片的另一侧放置有第三铜板、第四铜板、第二温差发电模块、第二水冷散热器；

所述加热片16左、右端面分别与第二铜板18、第三铜板19接触，侧面填充绝热材料。

在本实施例中，所述第一、第二温差发电模块具有相同的结构和特性，加热片两侧对称放置有相同的部件，以保证在试验测量时的准确性。

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，包括硅酸铝陶瓷纤维、玻璃纤维。

在本实施例中，所述绝热材料能够避免空气热传导、热对流与热辐射，使加热片16产生的热能全部输入两片温差发电模块。

在一个实施例中，所述制成第一、第二水冷散热器6、7选用热导率高的材料，包括铝、铜中的一种。

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，所述加热片的材料选用导热良好、加热均匀、预先设定厚度的构件，包括陶瓷加热片、聚酰亚胺加热膜中的一种。

在本实施例中，为了减少热量散失，所述构件厚度控制在几毫米以内。

在一个实施例中，所述第一底板中心具有孔，用于固定第一缓冲垫；所述第二底板上具有定位孔，用于固定第二缓冲垫。

在本实施例中，所述第一、第二缓冲垫分别用于缓冲第一底板与第一水冷散热器之间的冲击压力及气缸的活塞杆与第二水冷散热器之间的冲击压力。

在一个实施例中，所述第一水冷散热器、第二水冷散热器、第一底板和第二底板的四个边角均打有通孔，并使用螺杆通过所述通孔，所述螺杆与螺母旋合以纵向固定第一水冷散热器、第二水冷散热器。

在一个实施例中，所述第一、第二、第三、第四铜板内开有槽，所述第一、第二、第三、第四热电偶分别置于所述槽中。

在本实施例中，所述第一、第二、第三、第四铜板具有良好的导热性，能够在较短的时间内均匀热量，从而促使第一、第二、第三、第四热电偶更准确的测量其中温度。

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，包括空气压缩机1、气管2、气缸3、第一缓冲垫4、第二缓冲垫5、第一水冷散热器6、第二水冷散热器7、第一电子负载8、第二电子负载9、第一热电偶10、第二热电偶11、第三热电偶12、第四热电偶13、第一温差发电模块14、第二温差发电模块15、加热片16、第一铜板17、第二铜板18、第三铜板19、第四铜板20、水管21、高低温恒温槽22、PID温控器23、数据采集仪24、第一底板25、第二底板26；

螺杆通过第一底板25、第二底板26与第一水冷散热器6、第二水冷散热器7上的通孔与螺母旋合，第一底板25、第二底板26固定放置，第一水冷散热器6、第二水冷散热器7纵向固定，在水平方向上可左右移动；底板25中心打孔，使用螺丝紧固第一缓冲垫4，气缸3的活塞杆与第二缓冲垫5使用螺丝进行固定；气缸通过螺丝固定在底板26右端面，空气压缩机1与气缸3通过气管2相连，通气时气缸3活塞杆连带缓冲垫4活动，为左侧温差发电主体装置提供压紧力；加热片16位于两片相同的第一温差发电模块14、第二温差发电模块15中央，加热片16两侧对称垂直放置有相同的第一铜板17、第二铜板18、第三铜板19、第四铜板20，第一温差发电模块14、第二温差发电模块15和第一水冷散热器6、第二水冷散热器7，加热片16左、右端面分别与第二铜板18、第三铜板19接触，侧面填充绝热材料；加热片16由PID温控器23调节加热片温度；第一温差发电模块14冷面与水冷散热器6右侧的第一铜板17接触，热面与加热片16左侧的第二铜板18紧贴；第二温差发电模块15热面与加热片16右侧的第三铜板19接触，冷面和水冷散热器7左侧的第四铜板20紧贴；高低温恒温槽22中的内置水泵将水抽出，通过连接水管21在第一水冷散热器6、第二水冷散热器7与高低温恒温槽22中实现冷水循环；第一温差发电模块14冷热两面的温差分别由固定在第一铜板17、第二铜板18凹槽内的第一热电偶10、第二热电偶11测量，第二温差发电模块15冷热两面的温差分别由固定在第三铜板19、第四铜板20凹槽内的第三热电偶12、第四热电偶13测量，数据采集仪24采集热电偶的温度以及加热片16的电压和电流；第一温差发电模块14、第二温差发电模块15的正负极引脚分别通过导线与第一电子负载8、第二电子负载9正负极相连接。

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、将第一温差发电模块固定在第一水冷散热器右侧的第一铜板和加热片左侧的第二铜板之间，第二温差发电模块固定在加热片右侧的第三铜板和第二水冷散热器左侧的第四铜板之间；

S200、根据水冷散热器和加热片的温度变化，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S300、根据电子负载的负载变化，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S400、根据气缸提供的压紧力改变，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S500、通过改变上述步骤中的温度、负载以及压紧力，可以获得不同工况下第一温差发电模块和第二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；

S600、对所述性能参数取平均值，得到温差发电模块最终的性能参数。

在本实施例中，所述第一温差发电模块14固定在第一水冷散热器6右侧的第一铜板17和加热片16左侧的第二铜板18之间，第二温差发电模块15固定在加热片16右侧的第三铜板19和第二水冷散热器7左侧的第四铜板20之间；根据第一水冷散热器6、第二水冷散热器7和加热片16的温度变化，第一温差发电模块14、第二温差发电模块15输出的功率会发生变化；如果与温差发电模块相应连接的电子负载发生改变，第一、第二温差发电模块输出的功率会同步变化；气缸1提供的压力改变，第一温差发电模块、第二温差发电模块的输出功率也会随之相应改变。

高低温恒温槽22的内置水泵将水抽出，通过连接水管21注入到水冷散热器，再通过出水管送回高低温恒温槽22，冷水的不断循环，以维持第一温差发电模块14、第二温差发电模块15相同的冷端温度；加热片两侧温差发电模块、水冷散热器对称放置，第一电子负载8、第二电子负载9同步变化，以实现两片相同温差发电模块工作状态一致。

电源为加热片16供电，为了确保加热片16的总热能全部平均输入两片温差发电模块，加热片16两侧对称放置相同的温差发电模块、铜块与水冷散热器，两片温差发电模块在相同状态下工作，并在其侧面填充绝热材料避免热损失，因此加热片16的热能全部平均分配给左右两侧的温差发电模块，测量加热片16的电压与电流，获得加热片16的功率，均分后即单片温差发电模块热端热流。

热电偶固定在铜板的凹槽中，固定在第一铜板10、第二铜板11凹槽中的第一热电偶17、第二热电偶18紧贴温差发电模块14，以精确测量温差发电模块14的冷热端温度；固定在第三铜板12、第四铜板13凹槽中的第三热电偶19、第四热电偶20紧贴温差发电模块15，以精确测量温差发电模块15的冷热端温度。

数据采集仪24记录不同铜板凹槽内热电偶的温度，即第一温差发电模块14、第二温差发电模块15两端的温度，并测量输入加热片16的电压与电流获得功率均分后即为流入热电片热端的热流，第一电子负载8、第二电子负载9记录两片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。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两片相同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，取平均值，以排除实验偶然性。

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、第一水冷散热器、第二水冷散热器、第一电子负载、第二电子负载、第一温差发电模块、第二温差发电模块和加热片；

所述气缸用于为第一温差发电模块、第二温差发电模块提供不同的压紧力；

所述第一水冷散热器、第二水冷散热器分别用于冷却第一温差发电模块、第二温差发电模块的冷端；

所述第一电子负载、第二电子负载分别与第一温差发电模块、第二温差发电模块相连，分别为第一温差发电模块、第二温差发电模块提供不同负载，所述第一温差发电模块、第二温差发电模块将温差转换为电能；

所述加热片用于为第一温差发电模块、第二温差发电模块热端提供热量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：优选的，所述装置还包括空气压缩机、气管、第一缓冲垫、第二缓冲垫、第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶、第一铜板、第二铜板、第三铜板、第四铜板、水管、高低温恒温槽、PID温控器、数据采集仪、第一底板、第二底板；

所述空气压缩机用于压缩空气；

所述气管用于连接空气压缩机和气缸，将空气压缩机压缩的气体送入气缸；

所述第一缓冲垫、第二缓冲垫分别用于缓冲第一底板与第一水冷散热器之间的冲击压力及气缸的活塞杆与第二水冷散热器之间的冲击压力；

所述第一热电偶、第二热电偶分别用于测量第一温差发电模块冷端、热端表面温度；

所述第三热电偶、第四热电偶和用于测量第二温差发电模块热端、冷端表面温度；

所述第一铜板、第二铜板用于测量第一温差发电模块冷热端的表面温度及均匀第一温差发电模块表面的热量；

所述第三铜板、第四铜板用于测量第二温差发电模块冷热端的表面温度及均匀第二温差发电模块表面的热量；

所述连接水管用于使冷却水在水冷散热器和高低温恒温槽之间循环；

所述高低温恒温槽用于冷却循环水；

所述PID温控器用于调节控制加热片的温度与功率；

所述数据采集仪用于记录第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶的温度，以及加热片的电压电流信号，从而获得加热片流入第一温差发电模块、第二温差发电模块的热量。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述加热片位于第一温差发电模块和第二温差发电模块之间，所述加热片一侧放置有第一铜板、第二铜板、第一温差发电模块、第一水冷散热器，加热片的另一侧放置有第三铜板、第四铜板、第二温差发电模块、第二水冷散热器；

所述加热片两端端面分别与第二铜板、第三铜板接触，所述加热片侧面填充绝热材料。

4.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，包括硅酸铝陶瓷纤维、玻璃纤维中的一种。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：制成所述第一水冷散热器、第二水冷散热器的材料相同，选用热导率高的材料，包括铝、铜中的一种。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：制成所述加热片的材料选用导热良好、加热均匀、预先设定厚度的构件，包括陶瓷加热片、聚酰亚胺加热膜中的一种。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一底板中心具有孔，用于固定第一缓冲垫；所述第二底板上具有定位孔，用于固定第二缓冲垫。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一水冷散热器、第二水冷散热器、第一底板和第二底板的四个边角均打有通孔，并使用螺杆通过所述通孔，所述螺杆与螺母旋合以纵向固定第一水冷散热器与第二水冷散热器。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述第一铜板、第二铜板、第三铜板、第四铜板内开有槽，所述第一热电偶、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶分别置于所述槽中。

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、将第一温差发电模块固定在第一水冷散热器右侧的第一铜板和加热片左侧的第二铜板之间，第二温差发电模块固定在第二水冷散热器左侧的第四铜板和加热片右侧的第三铜板之间；

S200、根据水冷散热器和加热片的温度变化，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S300、根据电子负载的负载变化，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S400、根据气缸提供的压紧力改变，测定第一温差发电模块和第二温差发电模块的输出功率；

S500、通过改变上述步骤中的温度、负载以及压紧力，可以获得不同工况下第一温差发电模块和第二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；

S600、对所述性能参数取平均值，得到温差发电模块最终的性能参数。