CN103323780A - 一种温差材料热电转换性能测试***及方法 - Google Patents

Abstract

一种温差材料热电转换性能测试***，其包括有：电加热单元，所述电加热单元包括导热块；温差发电器件单元，所述温差发电器件单元包括温差材料；循环冷却单元，所述循环冷却单元包括吸热盒；数据采集单元，其特征在于：将待测的温差材料放置在温差发电器件单元内，由电加热单元通过导热块对所述温差材料热端进行加热，由循环冷却单元通过吸热盒对所述温差材料冷端进行降温，并由数据采集单元记录输出电压、输出电流及冷热面温度，通过数据采集单元的实时数据显示，对温差材料热电转换性能进行精确测定。

Description

一种温差材料热电转换性能测试***及方法

技术领域

本发明涉及温差材料的性能测试技术，特别涉及一种温差材料热电转换性能测试***及方法, 属于热电转换领域。

背景技术

温差发电是一种绿色环保的发电方式，温差发电技术因其结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪音、使用寿命长并且可以合理利用太阳能、地热能、工业余热废热等优点而受到广泛的研究和应用。然而，随着温差发电技术的发展，如何对温差材料的性能进行精确测定成为备受关注的问题。

2006年，厦门大学陈允成在论文半导体温差发电器的应用的研究中（陈允成.半导体温差发电器应用的研究[D].厦门:厦门大学,2006），提出了一种半导体温差发电模块性能测试平台的搭建方法。该测试平台采用风冷进行散热，无法进行充分散热，没有水冷的散热效果优良。另外，温差发电模块的冷热端温度无法测量，很难获得材料的最佳工作温度及温差等信息。

温差材料是利用温差电材料的热电转换效应（主要为塞贝克效应和帕尔贴效应），由n型和p型半导体组装而成的一种利用温差进行发电的材料。温差材料的热电转换性能是评价温差材料好坏的重要指标。温差材料的热电效率可以由热电优值ZT来评估：

                                                      

 （1）

（1）式中T为绝对温度，S为热电势，σ为电导率，κ为热传导系数。

因此，选择性能优良的温差材料，对于进行高效率的热电转换具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种用于测试温差材料热电转换性能的测试***及方法，能够实现对温差材料热电转换性能的精确测定。

本发明采用如下技术方案：一种温差材料热电转换性能测试***，其包括有：

电加热单元，所述电加热单元包括导热块；

温差发电器件单元，所述温差发电器件单元包括温差材料；

循环冷却单元，所述循环冷却单元包括吸热盒；

数据采集单元，将待测的温差材料放置在温差发电器件单元内，由电加热单元通过导热块对所述温差材料热端进行加热，由循环冷却单元通过吸热盒对所述温差材料冷端进行降温，并由数据采集单元记录输出电压、输出电流及冷热面温度，通过数据采集单元的实时数据显示，对温差材料热电转换性能进行精确测定。

所述测试***的电加热单元还包括电源及由所述电源控制的电加热管。

所述电加热管由独立开关控制，所述导热块除热端面外均由复合反射绝热材料包裹，并在最外层填充脱脂玻璃纤维。

所述测试***的温差发电器件单元还包括紫铜片、铠装K型热电偶和加强板，所述温差材料放置于导热块与吸热盒之间，所述紫铜片包括有两片且分别放置于导热块与温差材料热端之间和吸热盒与温差材料冷端之间。

在所述紫铜片的侧面钻孔并植入用于测得所述温差材料冷热面温度的铠装K型热电偶。

所述循环冷却单元还包括散热器、储液结构和循环泵，所述吸热盒底端和与温差材料冷端接触的紫铜片相接触。

所述温差材料热电转换性能测试***还包括有橡胶管，所述吸热盒的进水口和出水口通过所述橡胶管分别连接循环泵和散热器；所述循环泵与散热器之间通过所述橡胶管连接储液结构，通过水循环进行冷却降温。

所述数据采集单元包括多通道数字巡回检测仪、连接温差材料正负极的导线、连接铠装K型热电偶的导线及负载，所述导线接至多通道数字巡回检测仪的相应通道，测试并记录实时数据。

本发明还采用如下技术方案：一种温差材料热电转换性能测试方法，包括如下步骤：

步骤1、将待测的温差材料放置在导热块与吸热盒间的两片紫铜片之间，通过加强板使导热块、紫铜片、温差材料及吸热盒紧密接触，在储液结构及循环泵中注入水使其能够正常运转，将连接温差材料正负极的导线和连接铠装K型热电偶的导线连接到多通道数字巡回检测仪上；

步骤2、将电源接通，通过电加热管对导热块进行加热，同时通过循环泵对吸热盒进行散热；

步骤3、通过多通道数字巡回检测仪采集温差材料的热端温度、冷端温度、输出电压值及输出电流值，采用实时测试和实时显示的方式，绘制温差材料输出电压-时间关系曲线及输出电压-温差关系曲线，确定不同温度梯度对性能影响。

本发明具有如下有益效果：

（1）.本发明采用由吸热盒、散热器、储液结构和循环泵构成的循环冷却单元对温差材料的冷端进行降温，其中吸热盒底端和与温差材料冷端接触的紫铜片相接触，在循环泵的作用下，水从储液结构流入吸热盒，吸收热量后进入散热器，散热后再回到储液结构中，通过水循环起到良好的吸热散热效果，保证温差材料的冷端环境；

（2）.本发明采用热端包裹性设计，即对导热块除热端面外均由复合反射绝热材料包裹，并在最外层填充脱脂玻璃纤维以减少热量损失，使得电加热管产生的热量最大限度被导热块传递至温差材料的热端，保证温差材料热端环境；

（3）.本发明在温差材料的冷热端各放置一片侧面钻孔的紫铜片，用于植入铠装K型热电偶，对温差材料冷热端的温度进行测量，从而测定输出电压与温差的关系等；

（4）.能满足多种型号的温差材料性能测试，并且操作简单易行。

附图说明

图1为本发明温差材料热电转换性能测试***各部分的连接结构示意图。

其中：

1-电源；2-电加热管；3-导热块；4-温差材料；5-紫铜片；6-吸热盒；7-散热器；8-储液结构；9-循环泵；10-连接温差片正负极的导线；11-连接铠装K型热电偶的导线；12-负载；13-多通道数字巡回检测仪。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参照图1所示，本发明温差材料热电转换性能测试***，由电加热单元、温差发电器件单元、循环冷却单元和数据采集单元四部分构成。待测的温差材料放置在温差发电器件单元内，由电加热单元通过导热块对其热端进行加热，由循环冷却单元通过吸热盒对其冷端进行降温，并由数据采集单元记录输出电压、输出电流及冷热面温度；通过数据采集单元的实时数据显示，可以实现对温差材料热电转换性能的精确测定。

其中本发明温差材料热电转换性能测试***的电加热单元包括电源1、电加热管2和导热块3，其中电源控制五个由独立开关控制的电加热管2，电加热管2植入打穿5个孔的导热块3，导热块3除热端面外均由复合反射绝热材料包裹，并在最外层填充脱脂玻璃纤维以减少热量损失。

温差发电器件单元包括温差材料4、紫铜片5、铠装K型热电偶和加强板，其中温差材料4放置于导热块3与吸热盒6之间；两片紫铜片5分别放置于导热块3与温差材料4热端之间和吸热盒6与温差材料4冷端之间；在紫铜片5侧面钻孔并植入铠装K型热电偶，用于测得温差材料冷热面的温度；加强板通过两侧的铁架台给吸热盒施加压力，使***紧密接触，达到较好的发电效果。

循环冷却单元包括吸热盒6、散热器7、储液结构8和循环泵9，其中吸热盒6底端和与温差材料4冷端接触的紫铜片5相接触；吸热盒6的进水口和出水口通过橡胶管分别连接循环泵9和散热器7；循环泵9与散热器7之间同样通过橡胶管连接储液结构8，通过水循环进行冷却降温。

数据采集单元包括多通道数字巡回检测仪13、连接温差片正负极的导线10、连接铠装K型热电偶的导线11及负载12，导线接至多通道数字巡回检测仪13的相应通道，测试并记录实时数据。

本发明提出的测试***的测试原理是基于塞贝克效应和帕尔贴效应，当温差材料的两端存在温差时，温差材料可以对外输出电能。温差材料的热电效率可以由热电优值ZT来评估：

  

  （1）

（1）式中T为绝对温度，S为热电势，σ为电导率，κ为热传导系数。选择性能优良的温差材料，对于进行高效率的热电转换具有重要的意义。

在进行测试时，可采用实时测试和实时显示方式，通过初级测试、控制测试和负载测试绘制温差材料输出电压-时间关系曲线及输出电压-温差关系曲线，确定不同温度梯度对性能影响。

在利用本发明温差材料热电转换性能测试***进行热电转换性能测试时，可按照下述步骤进行：

步骤1、将待测的温差片放置在导热块3与吸热盒6间的两片紫铜片5之间，通过加强板使导热块3、紫铜片5、温差材料4及吸热盒6紧密接触。在吸热盒6的进水口和出水口通过橡胶管分别连接循环泵9和散热器7，循环泵9与散热器7之间同样通过橡胶管连接储液结构8，在储液结构8及循环泵9中注入水使其能够正常运转。将连接温差片正负极的导线10和连接铠装K型热电偶的导线11连接到多通道数字巡回检测仪13上。

步骤2、将电源接通，通过控制电加热管2接通个数控制热端温度，用电加热管2对导热块3进行加热，同时通过循环水泵9对吸热盒6吸收热量进行散热。

步骤3、通过多通道数字巡回检测仪13采集温差材料4的热端温度、冷端温度、输出电压值及输出电流值。采用实时测试和实时显示的方式，绘制温差材料输出电压-时间关系曲线、输出电压-温差关系曲线、不同温度梯度对性能影响。

采用本发明的温差材料热电转换性能测试***及方法，可以快速准确地测量温差材料的热电转换性能，为温差材料的发展及应用提供良好的理论依据。

上述温差材料热电转换性能测试方法可用来测试以下材料性能：

实施例一、在负载电阻为3.9Ω的条件下对碲化铋材料的热电转换性能进行测试，通过多通道数字巡回检测仪记录的结果如下：温差由53.9K增加到72.5K的过程中，路端电压由2.04V增加到2.77V,电流由0.14mA增加到0.19mA,输出功率由0.07mW增加至0.14mW。

实施例二、在负载电阻为11.1Ω的条件下对碲化铋材料的热电转换性能进行测试，通过多通道数字巡回检测仪记录的结果如下：温差由53.9K增加到72.5K的过程中，路端电压由2.09V增加到3.03V,电流由0.11mA增加到0.14mA,输出功率由0.14mW增加至0.21mW。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种温差材料热电转换性能测试***，其包括有：

电加热单元，所述电加热单元包括导热块；

温差发电器件单元，所述温差发电器件单元包括温差材料；

循环冷却单元，所述循环冷却单元包括吸热盒；

数据采集单元，其特征在于：将待测的温差材料放置在温差发电器件单元内，由电加热单元通过导热块对所述温差材料热端进行加热，由循环冷却单元通过吸热盒对所述温差材料冷端进行降温，并由数据采集单元记录输出电压、输出电流及冷热面温度，通过数据采集单元的实时数据显示，对温差材料热电转换性能进行精确测定。

2.如权利要求1所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：所述测试***的电加热单元还包括电源及由所述电源控制的电加热管。

3.如权利要求2所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：所述电加热管由独立开关控制，所述导热块除热端面外均由复合反射绝热材料包裹，并在最外层填充脱脂玻璃纤维。

4.如权利要求3所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：所述测试***的温差发电器件单元还包括紫铜片、铠装K型热电偶和加强板，所述温差材料放置于导热块与吸热盒之间，所述紫铜片包括有两片且分别放置于导热块与温差材料热端之间和吸热盒与温差材料冷端之间。

5.如权利要求4所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：在所述紫铜片的侧面钻孔并植入用于测得所述温差材料冷热面温度的铠装K型热电偶。

6.如权利要求5所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：所述循环冷却单元还包括散热器、储液结构和循环泵，所述吸热盒底端和与温差材料冷端接触的紫铜片相接触。

7.如权利要求6所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：所述温差材料热电转换性能测试***还包括有橡胶管，所述吸热盒的进水口和出水口通过所述橡胶管分别连接循环泵和散热器；所述循环泵与散热器之间通过所述橡胶管连接储液结构，通过水循环进行冷却降温。

8.如权利要求7所述的一种温差材料热电转换性能测试***，其特征在于：所述数据采集单元包括多通道数字巡回检测仪、连接温差材料正负极的导线、连接铠装K型热电偶的导线及负载，所述导线接至多通道数字巡回检测仪的相应通道，测试并记录实时数据。

9.一种温差材料热电转换性能测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、将待测的温差材料放置在导热块与吸热盒间的两片紫铜片之间，通过加强板使导热块、紫铜片、温差材料及吸热盒紧密接触，在储液结构及循环泵中注入水使其能够正常运转，将连接温差材料正负极的导线和连接铠装K型热电偶的导线连接到多通道数字巡回检测仪上；

步骤2、将电源接通，通过电加热管对导热块进行加热，同时通过循环泵对吸热盒进行散热；

步骤3、通过多通道数字巡回检测仪采集温差材料的热端温度、冷端温度、输出电压值及输出电流值，采用实时测试和实时显示的方式，绘制温差材料输出电压-时间关系曲线及输出电压-温差关系曲线，确定不同温度梯度对性能影响。