CN110988530A - 一种温差发电片等效热电参数的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温差发电片等效热电参数的测量装置及其测量方法，属于热电转换、温差发电领域。通过该测量装置测量得到计算温差发电片等效热电参数所必需的参数：温差发电片的开路输出电压、负载输出电压、负载输出功率、冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度。基于传热学理论和热电效应相关理论，得到不同温度下温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率。本发明克服了直接测量温差发电片热电参数的困难，大大节约了测量成本。

Description

一种温差发电片等效热电参数的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于热电转换、温差发电领域，具体涉及一种温差发电片等效热电参数的测量装置及其测量方法。

背景技术

近年来，能源危机不断加剧，化石燃料的过度使用已经引起众多能源短缺与环境污染等问题，如石油危机和全球气候变暖。为了缓解化石燃料的使用，研究人员正在不断开发研究新的可替代能源，核电、水电、风电、光伏和热电等能源转化技术近年来得到快速发展。其中，热电转化技术是基于塞贝克效应发展起来的一种新型能源转化技术，具有清洁、无污染、无复杂的运动部件、无维修费用等众多优点。温差发电片作为热电转化技术的载体，被广泛应用于各个领域，如航空航天领域的放射性温差发电器、汽车尾气废热回收的温差发电器以及各种便携式温差发电装置。温差发电片一般由热电材料制成的P型半导体和N型半导体、铜导片和陶瓷板三部分组成，其中，P型半导体、N型半导体通过铜导片串联连接，夹于两个陶瓷板之间。当温差发电片一端供热、而另一端散热时，半导体在温差的作用下会发生载流子的定向移动，从而产生电流。

然而，大多数温差发电片的制作产商不提供塞贝克系数、热导率和电阻率等关键热电参数，或者所提供的参数不太准确，这对研究人员或工程师们分析温差发电片或者温差发电装置的性能造成很大阻碍。为了获得温差发电片准确的热电参数，通常需要从制造产商购买所用热电材料的样品，并通过专业的测量仪器测量其热电性能。但是，不同制造产商生产的温差发电片具有显著的参数差异，且专业测量仪器过于昂贵，仅少数研究机构购置有热电材料参数测量仪器。

发明内容

为了克服温差发电片热电参数获取的困难，本发明基于传热学和热电效应基本理论，提出一种温差发电片等效热电参数的测量装置及其测量方法，获取温差发电片的等效塞贝克系数、热导率和电阻率，极大程度上减少了温差发电片热电材料参数的测量成本，方便研究人员或工程师们对热电装置进行进一步的结构设计和性能分析。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种温差发电片等效热电参数的测量装置，包括从下到上依次设置的恒温加热台、温差发电片和散热装置，所述温差发电片的热端和冷端分别与恒温加热台、散热装置接触；所述温差发电片与电子负载信号连接，所述散热装置与冷却水泵连通；还包括热电偶传感器，所述热电偶传感器测量温差发电片的冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度；所述电子负载、热电偶传感器均与PC机信号连接。

上述技术方案，所述热电偶传感器包括第一热电偶传感器、第二热电偶传感器和第三热电偶传感器，第一热电偶传感器置于散热装置紧贴温差发电片一侧的表面，第二热电偶传感器置于温差发电片热端陶瓷板的上表面，第三热电偶传感器置于恒温加热台紧贴温差发电片一侧的表面上。

上述技术方案，还包括整体类似“C”形的夹紧装置，夹紧装置底座上放置恒温加热台，夹紧装置顶部设有提供夹紧力的螺栓。

上述技术方案，所述温差发电片与恒温加热台、散热装置之间均涂有导热硅脂。

一种温差发电片等效热电参数的测量方法，PC机获取温差发电片在不同热端温度时的开路输出电压、负载输出电压、负载输出功率、冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度，确定温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电导率。

进一步，所述开路输出电压、负载输出电压和负载输出功率由电子负载采集得到，所述冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度由热电偶传感器采集得到。

进一步，所述等效塞贝克系数为：

其中：α_TEM(T)为温度等于T时的温差发电片的等效塞贝克系数，α_p(T)为p型半导体的等效塞贝克系数，α_n(T)为n型半导体的等效塞贝克系数，且α_p(T)＝α_TEM(T)，α_n(T)＝-α_TEM(T)；N为PN结的对数；T_{h_leg}为半导体的热端温度；T_{c_leg}为半导体的冷端温度。

更进一步，所述半导体的热端温度

所述半导体的冷端温度

其中：T_h为热端温度，T_c为冷端温度，T_{h_ce}为热端陶瓷板温度，R_grease、R_ce、R_co和R_solder分别为导热硅脂、陶瓷板、铜片和焊接层的导热热阻。

更进一步，所述等效热导率

其中：λ_TEM(T)为温度等于T时的温差发电片等效热导率，λ_p(T)为p型半导体的等效热导率，λ_n(T)为n型半导体的等效热导率，且λ_p(T)＝λ_n(T)＝λ_TEM(T)；h_leg为半导体的高度，A_leg为半导体的横截面积。

更进一步，所述等效电阻率

其中：

为温度等于T时的温差发电片等效电阻率，

为p型半导体的等效电阻率，

为n型半导体的等效电阻率，且

本发明的有益效果为：本发明提供一种温差发电片等效热电参数的测量装置及其测量方法，所述测量装置用来测量温差发电片的开路输出电压、负载输出电压、负载输出功率、冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度，基于传热学理论，获得半导体热端和冷端的温度，从而得到温差发电片的等效热导率，再根据测得的温差发电片开路输出电压得到等效塞贝克系数，根据最大输出功率时的负载电阻获取等效电阻率。本发明能得到复杂的温差发电片等效热电参数，快速直接，克服了直接测量热电材料参数的困难，节约了测量成本。

附图说明

图1为本发明温差发电片等效热电参数的测量装置结构示意图；

图2为本发明温差发电片布置位置和温度传感器布置位置示意图；

图3为本发明各部分的热阻示意图；

图4为本发明温差发电片的等效塞贝克系数与温度之间的关系图；

图5为本发明温差发电片的等效热导率与温度之间的关系图；

图6为本发明温差发电片的等效电阻率与温度之间的关系图。

其中，1-电子负载，2-夹紧装置，3-散热装置，4-温差发电片，5-第一热电偶传感器，6-第二热电偶传感器，7-第三热电偶传感器，8-恒温加热台，9-冷却水泵，10-PC机。

具体实施方式

下面结合附图、具体的温差发电片结构及其参数，来说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种温差发电片等效热电参数的测量装置，包括电子负载1、夹紧装置2、散热装置3、温差发电片4、热电偶传感器、恒温加热台8以及冷却水泵9。夹紧装置2整体类似“C”形，顶部开有通孔，用于插入螺栓；夹紧装置2底座上放置恒温加热台8，恒温加热台8上放置温差发电片4，温差发电片4上放置散热装置3，且温差发电片4热端与恒温加热台8接触，冷端与散热装置3接触；夹紧装置2上的螺栓正对散热装置3，实验时，由夹紧装置2的螺栓提供压紧力；温差发电片4与电子负载1信号连接，用来测量温差发电片4的开路输出电压(U_oc)、负载输出电压(U_L)和负载输出功率(P_L)；散热装置3与冷却水泵9通过水管连通，由冷却水带走热量进行散热。热电偶传感器包括三个，第一热电偶传感器5置于散热装置3紧贴温差发电片4一侧的表面，如图2所示，第二热电偶传感器6置于温差发电片4热端陶瓷板的上表面，第三热电偶传感器7置于恒温加热台8紧贴温差发电片4一侧的表面上，分别用于测量冷端温度(T_c)、热端陶瓷板温度(T_{h_ce})和热端温度(T_h)。

上述测量装置中，所述温差发电片4与恒温加热台8、散热装置3之间均涂有导热硅脂，用以消除空气间隙。

电子负载1、第一热电偶传感器5、第二热电偶传感器6和第三热电偶传感器7均与PC机10信号连接，用于将测量的信号传输给PC机10，获取温差发电片等效热电参数。

温差发电片等效热电参数的测量装置的使用过程为：通过旋转螺栓将散热装置3、温差发电片4、恒温加热台8压紧，启动冷却水泵9和恒温加热台8，通过恒温加热台8调节温差发电片4的热端温度，通过冷却水泵9和散热装置3保持温差发电片4的冷端温度恒定，电子负载1和热电偶传感器分别采集温差发电片4不同热端温度时的开路输出电压(U_oc)、负载输出电压(U_L)、负载输出功率(P_L)、冷端温度(T_c)、热端陶瓷板温度(T_{h_ce})和热端温度(T_h)，并传输给PC机10，PC机10得到温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率。

一种温差发电片等效热电参数的获取方法，假设温差发电片4的p型半导体和n型半导体的塞贝克系数、热导率和电阻率在数量级上都相等，基于这个假设，分别计算温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率。

(1)通过温差发电片的开路输出电压和半导体两端的温度，确定温差发电片等效塞贝克系数，即：

其中，α_TEM(T)为温度等于T时的温差发电片的等效塞贝克系数；p型半导体的等效塞贝克系数等于温差发电片的等效塞贝克系数，即α_p(T)＝α_TEM(T)；n型半导体的等效塞贝克系数等于温差发电片的等效塞贝克系数的相反数，即α_n(T)＝-α_TEM(T)；N为PN结的对数；T_{h_leg}为半导体的热端温度，T_{c_leg}为半导体的冷端温度；其中半导体的热端温度T_{h_leg}、冷端温度T_{c_leg}的确定过程为：

分别计算导热硅脂、陶瓷板、铜片和焊接层的导热热阻，各部分的热阻示意图如图3所示；导热热阻定义为：

其中，R_m为材料的导热热阻，h_m为材料的高度，λ_m为材料的热导率，A_m为材料的横截面积。据此得到导热硅脂、陶瓷板、铜片和焊接层的导热热阻分别为R_grease、R_ce、R_co和R_solder。

另外，根据热流量相等，即：

则T_{h_leg}、T_{c_leg}为：

其中，热端温度T_h、冷端温度T_c和热端陶瓷板温度T_{h_ce}分别由第三热电偶传感器7、第一热电偶传感器5和第二热电偶传感器6测量得到；T_{c_ce}为冷端陶瓷板温度。

(2)确定温差发电片的等效热导率：

其中，λ_TEM(T)为温度等于T时的温差发电片等效热导率；p型半导体的等效热导率、n型半导体的等效热导率等于温差发电片的等效热导率，即λ_p(T)＝λ_n(T)＝λ_TEM(T)；h_leg为半导体的高度，A_leg为半导体的横截面积。

(3)确定温差发电片的等效电阻率

PC机10调节电子负载1的负载电阻得到不同阻值时温差发电片的输出功率，并记录输出功率最大时的负载电阻阻值，记为R_{max_P}；当负载电阻等于温差发电片内阻时，温差发电片输出功率最大，因此得到温差发电片的等效电阻率为：

其中，

为温度等于T时的温差发电片等效电阻率；p型半导体的等效电阻率、n型半导体的等效电阻率等于温差发电片的等效电阻率，即

上述温差发电片等效塞贝克系数α_TEM(T)、等效热导率λ_TEM(T)和等效电阻率

中的温度T等于半导体的热端温度T_{h_leg}、冷端温度T_{c_leg}的平均值，即

因此，通过恒温加热台8调节温差发电片的热端温度，可以得到不同温度下温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率。

本实例的使用的温差发电片4为厦门鹏南科技的TEG-127020型号温差发电片，其具体参数以及各部分计算得到的热阻值如表1所示，表1中p型半导体和n型半导体的塞贝克系数、热导率和电阻率为待计算的热电参数。

表1 TEG-127020型温差发电片具体参数及各部分热阻值

另外，本温差发电片等效热电参数测量装置所用仪器如下：电子负载1使用的是艾德克斯IT8500+型号电子负载；恒温加热台8使用的是鑫豪迈的X200型号加热台，其最大功率为800W，温度可以在0～450℃的范围内调节；散热装置3使用的是铝制水冷头；冷却水泵9使用的是CW-3000型号冷却循环水箱；三个热电偶传感器使用的是华润的WRNT型号K型热电偶。

根据上述方法得到温差发电片的等效塞贝克系数如图4所示，温差发电片的等效热导率如图5所示，温差发电片的等效电阻率如图6所示；由图4-6可以看出，等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率均随着温度的变化而变化，具有温度依赖性，更精确的表征温差发电片热电材料参数。为了方便使用，对温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率计算结果进行多项式拟合，得到该温差发电片的最终测量结果如表2所示。表2中的多项式拟合结果可在已知温度T的情况下，直接获取等效塞贝克系数、等效热导率和等效电阻率，不需要借助昂贵的测量仪器，也不要温差发电片的制作产商提供。

表2温差发电片等效热电参数的多项式拟合结果

以上依据本发明的技术方案详细描述了具体实施方式。根据本发明的技术方案在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，上文描述的具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

Claims (10)

1.一种温差发电片等效热电参数的测量装置，其特征在于：包括从下到上依次设置的恒温加热台(8)、温差发电片(4)和散热装置(3)，所述温差发电片(4)的热端和冷端分别与恒温加热台(8)、散热装置(3)接触；所述温差发电片(4)与电子负载(1)信号连接，所述散热装置(3)与冷却水泵(9)连通；还包括热电偶传感器，所述热电偶传感器测量温差发电片的冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度；所述电子负载(1)、热电偶传感器均与PC机(10)信号连接。

2.根据权利要求1所述的温差发电片等效热电参数的测量装置，其特征在于：所述热电偶传感器包括第一热电偶传感器(5)、第二热电偶传感器(6)和第三热电偶传感器(7)，第一热电偶传感器(5)置于散热装置(3)紧贴温差发电片(4)一侧的表面，第二热电偶传感器(6)置于温差发电片(4)热端陶瓷板的上表面，第三热电偶传感器(7)置于恒温加热台(8)紧贴温差发电片(4)一侧的表面上。

3.根据权利要求1所述的温差发电片等效热电参数的测量装置，其特征在于：还包括整体类似“C”形的夹紧装置(2)，夹紧装置(2)底座上放置恒温加热台(8)，夹紧装置(2)顶部设有提供夹紧力的螺栓。

4.根据权利要求1所述的温差发电片等效热电参数的测量装置，其特征在于：所述温差发电片(4)与恒温加热台(8)、散热装置(3)之间均涂有导热硅脂。

5.一种温差发电片等效热电参数的测量方法，其特征在于：PC机(10)获取温差发电片(4)在不同热端温度时的开路输出电压、负载输出电压、负载输出功率、冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度，确定温差发电片的等效塞贝克系数、等效热导率和等效电导率。

6.根据权利要求5所述的温差发电片等效热电参数的测量方法，其特征在于：所述开路输出电压、负载输出电压和负载输出功率由电子负载(1)采集得到，所述冷端温度、热端陶瓷板温度和热端温度由热电偶传感器采集得到。

7.根据权利要求5所述的温差发电片等效热电参数的测量方法，其特征在于：所述等效塞贝克系数为：

其中：α_TEM(T)为温度等于T时的温差发电片的等效塞贝克系数，α_p(T)为p型半导体的等效塞贝克系数，α_n(T)为n型半导体的等效塞贝克系数，且α_p(T)＝α_TEM(T)，α_n(T)＝-α_TEM(T)；N为PN结的对数；T_{h_leg}为半导体的热端温度；T_{c_leg}为半导体的冷端温度。

8.根据权利要求7所述的温差发电片等效热电参数的测量方法，其特征在于：所述半导体的热端温度

所述半导体的冷端温度

其中：T_h为热端温度，T_c为冷端温度，T_{h_ce}为热端陶瓷板温度，R_grease、R_ce、R_co和R_solder分别为导热硅脂、陶瓷板、铜片和焊接层的导热热阻。

9.根据权利要求8所述的温差发电片等效热电参数的测量方法，其特征在于：所述等效热导率

其中：λ_TEM(T)为温度等于T时的温差发电片等效热导率，λ_p(T)为p型半导体的等效热导率，λ_n(T)为n型半导体的等效热导率，且λ_p(T)＝λ_n(T)＝λ_TEM(T)；h_leg为半导体的高度，A_leg为半导体的横截面积。

10.根据权利要求9所述的温差发电片等效热电参数的测量方法，其特征在于：所述等效电阻率

其中：

为温度等于T时的温差发电片等效电阻率，

为p型半导体的等效电阻率，

为n型半导体的等效电阻率，且

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