CN207396602U - 测量热电模块最大输出功率的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测量热电模块最大输出功率的系统，包括冷端恒温系统、热端恒温系统、数据采集系统、测试电路和处理器；所述冷端恒温系统设置在所述热电模块的冷端，所述热端恒温系统设置在所述热电模块的热端，所述热电模块与所述测试电路连接，所述数据采集系统分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统和所述测试电路连接，所述处理器与所述数据采集系统连接。本实用新型提供的测量热电模块最大输出功率的系统，系统结构简单，操作方便，节省了大量时间，测量结果更加准确。

Description

测量热电模块最大输出功率的系统

技术领域

本实用新型属于热电转换技术领域，尤其涉及一种测量热电模块最大输出功率的系统。

背景技术

半导体温差发电主要利用半导体热电材料赛贝克效应将热能转换为电能。热电模块TEM热电模块(Thermoelectric Module)作为热能到电能转换的核心部件，最大输出功率是表征其热电转换性能的主要参数之一。目前，获得热电模块冷热端一定温差下最大输出功率的常用方法有三种：1.开路电压-短路电流法；2.伏-安特性法；3.负载匹配法。

但是，开路电压-短路电流法和伏-安特性法都是以理论值计算热电模块的最大输出功率，均未考虑热电模块中存在热电耦合效应，因此，按经典理论计算得到的热电模块最大输出功率准确度较低。负载匹配法为热电模块最大输出功率的经典测量法，基于热电模块冷热两端在一定温差下，调节负载阻值，找到负载电阻与热电模块内阻实际匹配工况，根据匹配工况下测量得到的热电模块输出端的电压(V_o)、电流(I_o)计算得到热电模块最大输出功率(P_omax＝V_oI_o)，由于该测量方法完全模拟了热电模块实际工况，故得到的热电模块最大输出功率值比较准确，但是该测量方法需一个一个负载值改变，并且无法确定负载值调节范围是否覆盖指定温差下热点模块最大输出功率对应的内阻值，测量时均需要冷热端温差、电压/电流输出进入稳定状态，因此，测量过程复杂、耗时过长是目前负载匹配法测量热电模块最大输出功率存在的不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种测量热电模块最大输出功率的系统，以解决现有技术中采用负载匹配法测量热电模块最大输出功率，测量过程复杂、耗时过长的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种测量热电模块最大输出功率的系统，包括用于使热电模块的冷端达到第一设定温度的冷端恒温系统、用于使热电模块的热端达到第二设定温度的热端恒温系统、用于获取第一设定温度和第二设定温度下热电模块的开路电压和瞬态短路电流的数据采集系统、用于提供电阻可调节的测试电阻的测试电路，以及用于测量热电模块输出功率的处理器；

所述冷端恒温系统设置在所述热电模块的冷端，所述热端恒温系统设置在所述热电模块的热端，所述热电模块与所述测试电路连接，所述数据采集系统分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统和所述测试电路连接，所述处理器与所述数据采集系统连接。

进一步地，所述测量热电模块最大输出功率的系统还包括用于调节热电模块工作压力的压力调节装置；

所述压力调节装置设置在所述热端恒温系统的一端。

进一步地，所述测试电路包括测试电阻和开关；

所述测试电阻和所述开关串联连接；

所述热电模块、所述测试电阻和所述开关串联连接。。

进一步地，所述测试电阻包括负载电阻和取样电阻；

所述负载电阻、所述取样电阻和所述开关串联连接。

进一步地，所述冷端恒温系统为恒温水循环系统。

进一步地，所述热端恒温系统为加热器。

进一步地，所述数据采集系统包括温度传感器，所述数据采集系统通过温度传感器分别与所述冷端恒温系统和所述热端恒温系统连接。

进一步地，所述测量热电模块最大输出功率的系统还包括电源，所述电源分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统、所述数据采集系统和所述处理器连接。

本实用新型提供的测量热电模块最大输出功率的系统的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型测量热电模块最大输出功率的系统，通过冷端恒温系统、热端恒温系统使热电模块的冷、热端温度达到设定的温度，处理器控制调节测试电阻的阻值及调节方向，利用数据采集系统采集各个测试电阻下，热电模块的输出电压和输出电流，计算得到热电模块对应的输出功率，能够准确获得输出功率达到峰值时的最大输出功率，系统结构简单，操作方便，节省了大量时间，测量结果更加准确。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的系统的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的一种测量热电模块最大输出功率的系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的热电材料与温度的变化曲线图；

图4为本实用新型实施例提供的热电模块输出功率与负载电流的变化曲线图。

图中：101，热端恒温系统；102，冷端恒温系统；103，数据采集系统；104，处理器；105，测试电路；106，热电模块；107，压力调节装置。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参阅图1，现对本实用新型实施例提供的测量热电模块最大输出功率的系统进行说明。所述测量热电模块最大输出功率的系统，包括用于使热电模块106的冷端达到第一设定温度的冷端恒温系统102、用于使热电模块106的热端达到第二设定温度的热端恒温系统101、用于获取第一设定温度和第二设定温度下热电模块106的开路电压和瞬态短路电流的数据采集系统103、用于提供电阻可调节的测试电阻的测试电路105，以及用于测量热电模块106输出功率的处理器104；

所述冷端恒温系统102设置在所述热电模块106的冷端，所述热端恒温系统101设置在所述热电模块106的热端，所述热电模块106与所述测试电路105连接，所述数据采集系统103分别与所述冷端恒温系统102、所述热端恒温系统101和所述测试电路105连接，所述处理器104与所述数据采集系统103连接。

具体地，设置冷端恒温系统102、热端恒温系统101、数据采集系统103、测试电路105和处理器104，还可以在系统中设置压力调节装置107，如图2所示，压力调节装置107设置在热端恒温系统上，调节压力调节装置107，通过作用在热端恒温系统101，向热电模块106施加压力，一般控制在把压力控制在0.6～0.8MPa，热电模块106在此压力范围内处于性能稳定状态。

在热电模块处于开路状态下，即开关K断开时，调节冷端恒温系统102和热端恒温系统101，达到设定温度T_c、T_h，测量热电模块106输出电压即开路电压V_oc。

一般取样电阻远远小于负载电阻，故调节负载电阻为零，相当于热电模块106处于短路输出状态，闭合开关K，设置数据采集系统103采样时间T_s≤100ms，利用数据采集系统103获取瞬态取样电压V_Rs1，进而根据R_i(T_m-o)≈R_sV_oc/V_Rs获得热电模块106开路时动态内阻估值R_i(T_m-o)。

此外，调节负载电阻为零后，闭合开关K，利用数据采集系统103获取电路的瞬态电流，根据式(3)计算出R_i(T_m-o)。

R_i(T_m-o)大于热电模块106输出功率最大时的动态内阻R_i(T_m-max)，设置负载电阻为R_i(T_m-o)，并以固定差值逐次递减，对于每一个负载电阻值，需调节冷端恒温系统102和热端恒温系统101确保热电模块106冷热端温度T_c、T_h不变，利用数据采集系统103测出稳态V_Rs、V_o值，并根据每个负载电阻值得到的V_Rs、V_o，对应计算出热电模块106的输出功率P_o，计算公式为P_o＝V_oV_Rs/R_s，调节负载电阻至P_o出现峰值P_o,max，则该峰值即为热电模块106在冷、热端温度为T_c、T_h时对应的最大输出功率。

调节冷端恒温系统102和热端恒温系统101的设定温度，通过上述步骤可以准确测量出不同冷热端温度状态下热电模块的最大输出功率。

本实用新型提供的测量热电模块最大输出功率的系统，与现有技术相比，通过冷端恒温系统102和热端恒温系统101使热电模块106的冷、热端温度达到设定的温度，处理器104控制调节测试电阻的阻值及调节方向，利用数据采集系统103采集各个测试电阻下，热电模块106的输出电压和输出电流，处理器104计算出热电模块106对应的输出功率，能够准确获得输出功率达到峰值时的最大输出功率，系统结构简单，操作方便，节省了大量时间，测量结果更加准确。

进一步地，如图2所示，所述测量热电模块最大输出功率的系统还包括用于调节热电模块工作压力的压力调节装置107；

所述压力调节装置107设置在所述热端恒温系统101的一端。

具体地，压力调节装置107设置在热端恒温系统上，调节压力调节装置107，通过作用在热端恒温系统101，向热电模块106施加压力，一般控制在把压力控制在0.6～0.8MPa，热电模块106在此压力范围内处于性能稳定状态。

进一步地，所述测试电路105包括测试电阻和开关；

所述测试电阻和所述开关串联连接；

所述热电模块106、所述测试电阻和所述开关串联连接。

进一步地，所述测试电阻包括负载电阻和取样电阻；

所述负载电阻、所述取样电阻和所述开关串联连接。

具体地，取样电阻远远小于负载电阻。

进一步地，所述冷端恒温系统102为恒温水循环系统。

具体地，采用恒温水循环系统设置在热电模块106的冷端，可以使热电模块106的冷端达到并稳定在设定的冷端温度。

进一步地，所述热端恒温系统101为加热器。

具体地，采用加热器设置在热电模块106的热端，可以使热电模块106的热端达到并稳定在设定的热端温度。

进一步地，所述数据采集系统103包括温度传感器，所述数据采集系统103通过温度传感器分别与所述冷端恒温系统102和所述热端恒温系统101连接。

具体地，数据采集系统103通过温度传感器分别和冷端恒温系统102和热端恒温系统101连接，一方面数据采集系统103可以采集冷端设定温度和热端设定温度，并发送给处理器104，另一方面处理器104可以通过数据采集系统103，进而控制冷端恒温系统102和热端恒温系统101调节冷端设定温度和热端设定温度。

进一步地，所述测量热电模块最大输出功率的系统还包括电源，所述电源分别与所述冷端恒温系统102、所述热端恒温系统101、所述数据采集系统103和所述处理器104连接。

具体地，设热电模块106冷、热基板端面温度分别为T_c、T_h；热电模块106冷热端热能分别为Q_c、Q_h；热电材料定性温度为T_m，热电模块106冷热端寄生电阻分别为R_hT、R_cT，热电模块106的输出功率为P_o，则：

T_h＝T_hj+Q_hR_hT，T_c＝T_cj-Q_cR_cT

T_m＝0.5(T_hj+T_cj)＝0.5(T_h+T_c)-0.5(Q_hR_hT-Q_cR_cT)

由于热电模块106冷热端结构对称，设R_hT＝R_cT＝R_T，得：

T_m＝0.5(T_h+T_c)-0.5R_T(Q_h-Q_c)＝0.5(T_h+T_c)-0.5R_TP_o (1)

由上式知，对于结构确定的热电模块106，其热电材料定性温度当T_c、T_h固定后，与热电模块输出功率P_o密切相关，随输出功率增大，T_m减小。设热电模块106中热电材料的臂高、横截面边长分别为h、l，则动态内阻R_i满足：

其中，N为热电模块106中的P-N电偶对数。

热电模块106的内阻取决于特性温度T_m。当热电模块106冷热端温度T_c、T_h确定后，根据式(1)可知T_m与热电模块106的输出功率P_o有关。假设热电模块106在最大输出功率P_omax时对应的特性温度为T_m-max，热电模块106开路(P_o＝0)时，对应的特性温度为T_m-o，显然T_m-o>T_m-max，则R_i(T_m-o)>R_i(T_m-max)，以R_i(T_m-o)为负载起始电阻调节值R_i(T_m-o)满足了前述大于热电模块106最大输出工况对应的内阻阻值R_i(T_m-max)要求，且具有唯一性及稳定性。R_i(T_m-o)值满足

其中V_oc为热电模块106冷热端稳态温度为T_c、T_h对应的开路电压；I_sc为瞬间短路电流，即热电模块106处于开路稳态(冷热端温度为T_c、T_h)及负载阻值为零的工况下，开关闭合瞬间回路电流值。因热惯性，温度场变化滞后于电场，故闭合瞬间热电材料冷、热端温度来不及改变，相同于开路状态，故根据式(3)计算出的电阻值一定是热电模块106处于开路稳态(冷热端温度为T_c、T_h)的动态内阻值。负载电阻调节原则由经典法的覆盖匹配动态内阻变换到本专利提出的负载阻值单向追踪匹配内阻方案，测试电阻的调节范围大大缩小，调节匹配耗时大幅减少。

所述热电模块106的输出功率和热电模块106的热电材料定性温度的变化关系为：

T_m＝0.5(T_h+T_c)-0.5R_T(Q_h-Q_c)＝0.5(T_h+T_c)-0.5R_TP_o，其中，T_c、T_h分别为热电模块106的冷、热端温度，Q_c、Q_h分别为热电模块106的冷、热端热能，T_m为热电模块106的热电材料定性温度，P_o为热电模块106的输出功率，R_T为热电模块106的冷、热端寄生电阻的等效电阻；

所述热电材料定性温度和热电模块106的热电材料电导率的变化关系为：

其中，σ_N、σ_P分别为热电模块106的N型、P型热电材料的电导率，T_m为热电材料定性温度；由以上两式可以看出，热电材料的电导率随热电材料定性温度的降低而增大。

所述热电材料电导率和热电模块106的动态内阻的变化关系为：

其中，N为热电模块106中的P-N电偶对数，h为热电材料的臂高，l_n、l_p分别为热电模块106的N型、P型热电材料横截面边长，σ_n(T_m)、σ_p(T_m)分别为热电模块106的N型、P型热电材料在定性温度T_m下的电导率，R_i(T_m)为热电模块106在定性温度T_m下的动态内阻；

所述输出功率与所述动态内阻的变化关系为：

在所述输出功率达到最大输出功率之前，所述输出功率随所述动态内阻的减小而增大。

具体地，根据式(1)可以得出：热电材料定性温度随热电模块输出功率的增大而降低。

具体地，热电模块106的内阻由N型半导体热电材料电偶臂和P型半导体热电材料电偶臂串联组成，假设N、P型半导体热电材料的电导率分别为σ_n(T)、σ_p(T)，其与温度变化特性如图3所示，从图3中可以看出无论半导体热电材料用于发电还是制冷，其电导率与材料的定性温度呈反向变化，即热电材料的电导率随热电材料定性温度升高而下降。

具体地，根据式(2)可以得出：热电模块106动态内阻随热电材料电导率的增大而减小。

具体地，根据式(1)和式(2)，以及图3中半导体热电材料电导率随温度单调反向变化规律，有：P_o↑→T_m↓→σ_n,σ_p↑→R_i(T_m)↓，可以得出结论：随着热电模块106输出功率增加，由于热电模块中热电耦合效应及寄生热阻R_T存在，其内阻单向减小,如图4所示，横坐标为输出电流(Output Current)，纵坐标为输出功率(Output Power)，对应图4的第Ⅰ阶段，当达到最大输出功率后，随着输出功率的减小，热电模块106内阻仍保持单向递减，对应图4的第Ⅱ阶段。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，包括用于使热电模块的冷端达到第一设定温度的冷端恒温系统、用于使热电模块的热端达到第二设定温度的热端恒温系统、用于获取第一设定温度和第二设定温度下热电模块的开路电压和瞬态短路电流的数据采集系统、用于提供电阻可调节的测试电阻的测试电路，以及用于测量热电模块输出功率的处理器；

所述冷端恒温系统设置在所述热电模块的冷端，所述热端恒温系统设置在所述热电模块的热端，所述热电模块与所述测试电路连接，所述数据采集系统分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统和所述测试电路连接，所述处理器与所述数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，还包括用于调节热电模块工作压力的压力调节装置；

所述压力调节装置设置在所述热端恒温系统的一端。

3.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，所述测试电路包括测试电阻和开关；

所述测试电阻和所述开关串联连接；

所述热电模块、所述测试电阻和所述开关串联连接。

4.根据权利要求3所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，所述测试电阻包括负载电阻和取样电阻；

所述负载电阻、所述取样电阻和所述开关串联连接。

5.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，所述冷端恒温系统为恒温水循环系统。

6.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，所述热端恒温系统为加热器。

7.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，所述数据采集系统包括温度传感器，所述数据采集系统通过温度传感器分别与所述冷端恒温系统和所述热端恒温系统连接。

8.根据权利要求1所述的测量热电模块最大输出功率的系统，其特征在于，还包括电源；

所述电源分别与所述冷端恒温系统、所述热端恒温系统、所述数据采集系统和所述处理器连接。