CN1975448B - 一种热电发电元器件性能测量装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电发电元器件性能测量装置及其方法，属于热电转换技术领域。测量装置由热源(1)、冷端(3)、直流电源(4)、标准负载电阻(5)、多通道数据采集器(6)、计算机(7)、热电偶(8)、真空泵(9)组成。本发明的测量方法是将同时将两个热电发电元器件安装在热源和冷端之间，在热电发电元器件输出端连接标准负载电阻，通过改变标准负载电阻，得到热电发电元器件的输出功率，并和输入功率之比为元器件的能量转换效率。本发明采用双测对称热源，避免了输入测量系统的热量损失，而且可以同时对两个热电发电元器件进行测量，与目前的单侧热源方法相比，测量装置结构简单、效率高、可对能量转换效率进行直接有效测量。

Description

一种热电发电元器件性能测量装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种热电发电元器件性能测量装置及其方法，属于热电转换技术领域。
背景技术
热电发电是一种利用半导体材料的塞贝克效应将热能直接转变成电能的技术，它具有系统可靠性高、寿命长、适应性广等特点。以同位素为热源、热电发电技术为核心的同位素热电发电器作为特种电源，在空间探测及特殊军用场合有着重要的应用；同时，热电发电作为一种绿色能源技术，在利用太阳能及低密度工业余废热发电方面具有广阔的应用前景和潜在的经济和社会效益，近年来受到发达国家的广泛关注。
热电发电元器件是热电发电系统的关键部件，其技术参数指标与热电发电系统的设计及其性能指标密切相关。开路电压、输出功率和能量转换效率是热电发电元器件的基本技术参数，可以用实验方法测定。美国专利(PCT/US03/14771)《A thermoelectric device teststructure》，文献《Radioisotope Thermoelectric Generators Basedon Segmented BiTe/PbTe-BiTe/TAGS/PbSnTe》(Malachy McAlonan，etal，《Space Technology  and  Applications  InternationalForum-STAIF2006》，edited by M.S.El-Genk，p573-580)、《TestResults and Performance Compari sons of Coated and Un-coatedSkutterudite Based Segmented Unicouple》(M.S.El-Genk，et al，《Energy Conversion and Management》，2006，volume 47，p174-200)对测量热电发电元器件开路电压、输出功率和能量转换效率的方法作了一些介绍；这些方法有一个共同的特点，即采用单侧热源向一对或一组元器件提供热量，需要用绝热材料包裹热源，由于防止热传导和热辐射比较困难，单侧热源的方法造成输入测量系统的热量损失较大；为了比较准确的测量输入测量系统的热量，通常采用热流计对流入、流出待测元器件的热量进行标定，采用半分析法对元器件的能量转换效率进行计算，这样不仅增加了测量系统的复杂程度，而且不能对其进行直接有效地测量。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种新的热电发电元器件性能测量方法，避免输入测量系统热量的损失，不采用热流计，以降低测量系统的复杂程度，并能对元器件的能量转换效率进行直接有效的测量。
本发明技术方案原理是采用双侧对称热源，同时对两个热电发电元器件进行测量，其目的在于保证热量沿着元器件传导，建立温差，以避免热量损失。
为了实现这样目的，在本发明的技术方案中，对热源进行专门设计，采用薄片状热源，热源的双侧对称热传导面的尺寸与元器件的受热面尺寸一样，并将热源及热电发电元器件置于高真空中，防止输入测量系统热量的传导及对流损失，并将辐射热损失降低到最小，这样可以将电源输入系统的能量近似地作为热电发电元器件的输入能量，不用热流计标定，比较准确地得到输入测量元器件的热量，达到降低测量系统复杂程度、直接有效地测量热电发电元器件能量转换效率的目的。
本发明热电发电元器件性能测量方法的装置由热源(1)、冷端(3)、直流电源(4)、标准负载电阻(5)、多通道数据采集器(6)、计算机(7)、热电偶(8)、真空泵(9)组成，其中：
热源(1)为薄片状，热源的双侧对称热传导面的尺寸与元器件的受热面尺寸相同；
直流电源(4)和热源连接并为热源提供电力；冷端(3)是水冷、油冷或风冷；
热源和冷端均与热电偶(8)连接并由热电偶测量温度；
标准负载电阻(5)与热电发电元器件(2)输出端连接；
热源、冷端和热电发电元器件一起密封在封闭容器内，封闭容器与真空泵(9)相连，并由真空泵抽真空。
当热电发电元器件存在温差，产生温差电动势，热电发电元器件引线端电动势之差即其开路电压；热电发电元器件接入标准负载电阻，改变电阻，热电发电元器件输出电流、电压，二者之积即输出功率，当负载电阻与元器件内阻相等时，输出功率最大，等于开路电压的平方除以元器件的内阻；输出功率与输入系统热量之比即热电发电元器件的能量转换效率。改变直流电源的输出功率，温差随之改变，可以得到不同温差下热电发电元器件的开路电压、输出功率及能量转换效率。冷端温度、热端温度、热电发电元器件的输出电压和电流、直流电源输入的电压和电流分别接入多通道数据采集仪，同时进行记录，并通过计算机进行数据处理，输出元器件的开路电压、输出功率及能量转换效率。
本发明的测量方法按如下步骤进行：
(1)将热电发电元器件安装在热源和冷端之间，在热电发电元器件输出端连接标准负载电阻，然后密封，建立真空；
(2)在热电发电元器件热端、冷端之间建立温差，热端温度、冷端温度由多通道数据采集器采集；
(3)改变标准负载电阻，得到热电发电元器件的输出电压、输出电流，由多通道数据采集器采集；输出电压与输出电流之积为元器件的输出功率，
(4)电源输入的电压、电流由多通道数据采集器采集。输入电压与输入电流之积为输入功率，
(5)计算热电发电元器件输出功率与输入功率之比为元器件的能量转换效率。
本发明采用双测对称热源，避免了输入测量系统的热量损失，而且可以同时对两个热电发电元器件进行测量，与目前的单侧热源方法相比，具有测量装置结构简单、效率高、可对能量转换效率进行直接有效测量等特点。
附图说明
图1是本发明热电发电元器件性能测量装置示意图。
图中，1为热源，2为热电发电元器件，3为冷端，4为直流电源，5为外接标准负载电阻，6为多通道数据记录仪，7为计算机，8为热电偶，9为真空泵。
具体实施方式
测量时首先将热电发电元器件2安装在热源1和冷端3之间，在元器件的输出端接入标准负载电阻5；启动真空泵9，建立真空；接通直流电源4，热源1发热，与冷端3建立温差，热端温度、冷端温度由热电偶7测量、多通道数据记录仪6采集；热电发电元器件产生温差电动势，改变标准负载电阻5，元器件输出电流、电压随着改变，其值由多通道记录仪6采集；计算机7进行数据处理，输出元器件的开路电压、输出功率及能量转换效率。

Claims (3)

1.一种热电发电元器件性能测量装置，其特征在于由热源(1)、冷端(3)、直流电源(4)、标准负载电阻(5)、多通道数据采集器(6)、计算机(7)、热电偶(8)、真空泵(9)组成，其中：
热源(1)为薄片状，热源的双侧对称热传导面的尺寸与热电发电元器件的受热面尺寸相同；
直流电源(4)和热源连接并为热源提供电力；
热源和冷端均与热电偶(8)连接并由热电偶测量温度；
标准负载电阻(5)与热电发电元器件输出端连接；
热源、冷端和热电发电元器件一起密封，封闭空间与真空泵(9)相连，并由真空泵抽真空。
2.按权利要求1所述的一种热电发电元器件性能测量装置，其特征在于冷端(3)是水冷、油冷或风冷。
3.一种热电发电元器件性能测量方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)同时将两个热电发电元器件对称地安装在热源和冷端之间，在热电发电元器件输出端连接标准负载电阻，然后密封，建立真空；
(2)在热电发电元器件热端、冷端之间建立温差，热端温度、冷端温度由多通道数据采集器采集；
(3)改变标准负载电阻，得到热电发电元器件的输出电压、输出电流，由多通道数据采集器采集；输出电压与输出电流之积为元器件的输出功率，
(4)电源输入的电压、电流值由多通道数据采集器采集，输入电压与输入电流之积为输入功率，
(5)计算热电发电元器件输出功率与输入功率之比为元器件的能量转换效率。
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