CN112781764A - 低温半导体温差发电器发电效率测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，包括半导体热电发电器、液态工质容器、第一加热器、第二加热器、工质管道、阀门、流量计、第一温度压力传感器，第二温度压力传感器和功率计；所述半导体热电发电器的冷端设置有所述液态工质容器，其热端设置有所述第一加热器。本发明还公开一种利用上述测试装置的低温半导体温差发电器发电效率测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及热电发电领域，尤其涉及一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置及测试方法。
背景技术
随着世界经济的快速发展，全球能源消耗量骤增的问题越发严峻，各行各业都在寻求节约能源、提高能源利用效率的途径和方法。工业上大量需求的液化天然气、液氮、液氧等低温液化工质所蕴含的高品位冷能十分可观，如能有效利用将大大降低能源消耗量，提高能源利用效率。
温差发电技术是近些年来被广泛研究和快速发展起来的绿色节能技术，其结构简单、无运动部件、无噪音、运营成本低，被认为是回收工业余能的十分有效的途径。利用液化工质低温冷能的温差发电技术由此兴起，为低温冷能的回收利用提供了新的思路的方法。
目前低温冷能温差发电技术的热电转换效率仍然很低，因受低温复杂工况的限制，在热电转换效率的测量计算上还需要进一步实验和探讨。CN211554178U公开了一种用于半导体温差发电效率测试的实验装置，该装置包括冷蓄液槽，热蓄液槽，制冷组件，制热组件和温差发电器构成，且对应冷蓄液槽和热蓄液槽具有两套液体回路，该装置虽然能够实现温差发电效率测试，但是其结构复杂，测量效率低下。
为此需要一种结构简单，有效测试温差发电效率，且能确保***热电转换效率的低温半导体温差发电器发电效率测试装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置及测试方法，该装置可以直接测得工质在气液变化过程中的吸热量，解决了现有测试装置和***存在的使用不便，测试效率低的缺陷，为低温温差发电***的发电效率测试提供了新的思路。
本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，包括半导体热电发电器、液态工质容器、第一加热器、第二加热器、工质管道、阀门、流量计、第一温度压力传感器和第二温度压力传感器；
其中，
所述工质管道固定安装在所述液态工质容器的上部出口，沿工质流动方向依次在所述工质管道上安装有第二加热器、流量计和第二温度压力传感器，所述工质管道的出口与大气连通；
所述液态工质容器设置在所述半导体热电发电器的冷端，用于为热电发电器提供冷源；
所述液态工质容器与所述半导体热电发电器的冷端之间设置导热块，用于引导热量传递；
所述半导体热电发电器的热端设置有所述第一加热器，用于为热电发电器提供热源；
所述阀门固定连接在所述工质管道与所述液态工质容器的上部出口之间，用于控制工质流通；
所述第二加热器，用于加热所述工质管道中的气液混合工质，使管道中存在的饱和液态工质完全转化为过热气态工质；
所述流量计，用于测量过热气态工质的流量；
所述第二温度压力传感器，用于测量所述管道内的工质温度和压力；
所述第一温度压力传感器，用于测量所述液态工质容器内的液态工质的温度和压力，其向外伸出一测量点，所述测量点设置在所述液态工质容器内部的液面以下；
所述半导体热电发电器外接功率计，用于测量热电发电器的发电功率。
进一步的，所述液态工质容器、导热块、半导体热电发电器和第一加热器依次压合成一体。
进一步的，所述液态工质容器及工质管道外侧均包裹有绝热材料，用于防止所述容器和所述工质管道的热量散失。
进一步，所述液态工质容器、导热块、半导体热电发电器、第一加热器的传热接触面均涂抹导热硅脂，用于降低传热过程的接触热阻。
进一步，所述导热块具有均匀分布且向所述液态工质容器内部延伸的多个翅片，用于增加传热面积，促进液态工质的温度均匀性和沸腾过程。
进一步的，所述绝热材料为保温棉。
进一步的，所述导热块的材料选自下列之一：紫铜，黄铜和不锈钢。
进一步的，所述液态工质容器内的所用工质选自下列之一：氮，氢和液化天然气。
所述液态工质容器及工质管道选自下列金属材料：不锈钢、黄铜和铸铁。
所述半导体热电发电器包括一个半导体热电组件或多个以串并联组合连接的半导体热电组件。
本发明的另一目的是提供一种利用上述低温半导体温差发电器发电效率测试装置的发电效率测试方法，所述低温半导体温差发电器发电效率测试装置，包括半导体热电发电器、液态工质容器、第一加热器、第二加热器、工质管道、阀门、流量计、第一温度压力传感器，第二温度压力传感器和功率计；
包括以下步骤：
步骤1.关闭阀门，使所述液态工质容器和工质管道不流通，向所述液态工质容器中加装液态工质，启动所述第一加热器对所述半导体热电发电器进行加热，使液态工质容器内的工质处于沸腾状态，形成气液混合工质；
步骤2.打开阀门，使所述液态工质容器中的气液混合工质流入所述工质管道，启动所述第二加热器进行加热，慢慢调高所述第二加热器的功率，直至所述工质管道内的液态工质完全汽化，使工质处于过热状态，当所述液态工质容器与所述第一加热器、第二加热器构成的***达到热平衡时，记录流量计、第一和第二温度压力传感器的数据；
步骤3.根据获得的所述第一温度压力传感器和第二温度压力传感器的数据查询并获得所述液态工质容器内液态工质与管道出口工质的焓值，液态工质与管道出口工质的焓值为液态工质与管道出口工质的焓差，所述流量计测得的流量与焓差相乘得到工质从液化容器沸腾到管道出口所吸收的总热量，再减去第二加热器所加热的热量即获得半导体热电发电器冷端的散热量；
步骤4.利用功率计测得所述半导体热电发电器的发电功率，发电功率与步骤6获得的散热量之和即为所述半导体热电发电器热端的吸热量，获得的发电功率与吸热量之比即为所述半导体热电发电器的热电转换效率。
与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：
本发明在液态工质容器处和工质管道内各设置一个温度压力传感器和加热器，直接测得液态工质和气态工质的数据，具有结构简单，性价比高的优点；
本发明的简单的结构使得该测试装置和测试方法可以在室内进行，受气候等条件影响小，具有安全系数高的优点；
本发明提供了一种新的低温热电片发电效率测试装置及测试方法，使半导体热电发电器冷端的温度更接近液态工质，为低温温差发电***的发电效率测试提供新的思路和测试方法。
附图说明
图1为本发明的低温半导体温差发电器发电效率测试装置的结构示意图。
图中：
1.液态工质容器 2.第一温度压力传感器
3.半导体热电发电器 4.第一加热器
5.第二加热器 6.流量计
7.第二温度压力传感器 8.翅片
9.工质管道 10.导热块
11.阀门 12.功率计
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书以及本发明实施例附图中的术语“第一”、“第二”等，仅是用于区别不同的对象，而非用于描述特定的顺序。
需要说明的是，本文中涉及的半导体热电发电器依靠温差而发电，因此本文中定义温度较高的那一侧为热源，温度较低的那一侧为冷源。所述冷源的温度是由其中工质的种类决定的，对某一种工质来说，其冷源温度为定值；而热源的温度由加热功率的大小决定。
还需要说明的是，以下的具体实施例可以相互结合，对于其中相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。
一种利用低温半导体温差发电器发电效率测试装置的发电效率测试方法，所述低温半导体温差发电器发电效率测试装置，如图1所示，包括半导体热电发电器3、液态工质容器1、第一加热器4、第二加热器5、工质管道9、阀门11、流量计6、第一温度压力传感器2，第二温度压力传感器7和功率计12。所述液化工质容器内的所用工质为氮。所述工质管道9固定安装在所述液态工质容器1的上部出口，沿工质流动方向依次在所述工质管道9上安装有第二加热器5、流量计6和第二温度压力传感器7，所述工质管道的出口与大气连通。其中，所述半导体热电发电器3包括一个半导体热电组件或多个以串并联组合连接的半导体热电组件，所述半导体热电发电器3具有冷端和热端，所述液态工质容器1设置在所述半导体热电发电器3的冷端，所述第一加热器4设置在所述半导体热电发电器3的热端。在所述液态工质容器1与所述半导体热电发电器3的冷端之间设置有用于引导热量传递的导热块10，其材料优选为紫铜，所述导热块10具有多个均匀分布且向所述液态工质容器1内部延伸的翅片8，用于增加传热面积，强化导热块与液态工质之间的传热过程，促进液态工质的温度均匀性和沸腾过程。一阀门11固定连接在所述工质管道9与所述液态工质容器1的上部出口之间。所述第一温度压力传感器2向外伸出一测量点，所述测量点设置在所述液态工质容器内部的液面以下。所述半导体热电发电器外接功率计，用于测量热电发电器的发电功率。
所述液态工质容器1、导热块10、半导体热电发电器3和第一加热器4依次压合成一体，用于降低测试装置的接触热阻，并引导第一加热器的热流至所述液态工质容器1。优选的，为防止所述容器和所述工质管道的热量散失，所述液态工质容器及工质管道采用有利于导热的金属材料，诸如银，铜，铝，外侧均包裹有保温棉。所述液态工质容器1、导热块10、半导体热电发电器3、第一加热器4的传热接触面均涂抹导热硅脂，用于降低传热过程的接触热阻。
利用上述低温半导体温差发电器发电效率测试装置的发电效率测试方法，包括以下步骤：
步骤1.在工质管道9上依次加装阀门11、第二加热器4、流量计6和第二温度压力传感器7，备用；
步骤2.将装有液氮的液态工质容器1、紫铜导热块10、半导体热电发电器3、第一加热器4依次压合成一体，备用；
步骤3.将步骤1和步骤2中获得的所述工质管道组件与液态工质容器组件固结为一体；
步骤4.关闭阀门11，使所述液态工质容器1和工质管道9不流通，向所述液态工质容器1中加装液氮，启动所述第一加热器4对所述半导体热电发电器3进行加热，使液态工质容器1内的工质液氮处于沸腾状态，形成气液混合工质；
步骤5.打开阀门11，使所述液态工质容器1中的气液混合工质流入所述工质管道9，启动所述第二加热器5进行加热，慢慢调高所述第二加热器5的功率，直至所述工质管道内的液态工质完全汽化，使工质处于过热状态，当液态工质容器内的气液混合工质达到准静态时，即当所述液态工质容器与所述第一加热器、第二加热器构成的***达到热平衡时，记录流量计6、第一和第二温度压力传感器的数据；
步骤6.根据获得的所述第一温度压力传感器2和第二温度压力传感器7的数据查询并获得所述液态工质容器内液态工质与管道出口工质的焓值，液态工质与管道出口工质的焓值为液态工质与管道出口工质的焓差，所述流量计6测得的流量与焓差相乘得到工质从液化容器沸腾到管道出口所吸收的总热量，再减去第二加热器所加热的热量即获得半导体热电发电器冷端的散热量；
步骤7.利用功率计12测得所述半导体热电发电器的发电功率，发电功率与步骤6获得的散热量之和即为所述半导体热电发电器热端的吸热量，获得的发电功率与吸热量之比即为所述半导体热电发电器的热电转换效率。
以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述测试装置包括半导体热电发电器(3)、液态工质容器(1)、第一加热器(4)、第二加热器(5)、工质管道(9)、阀门(11)、流量计(6)、第一温度压力传感器(2)和第二温度压力传感器(7)；
其中，所述工质管道(9)固定安装在所述液态工质容器(1)的上部出口，沿工质流动方向依次在所述工质管道(9)上安装有第二加热器(5)、流量计(6)和第二温度压力传感器(7)，所述工质管道(9)的出口与大气连通；
所述液态工质容器(1)设置在所述半导体热电发电器(3)的冷端，用于为热电发电器提供冷源；
所述液态工质容器(1)与所述半导体热电发电器(3)的冷端之间设置有导热块(10)，用于引导热量传递；
所述半导体热电发电器(3)的热端设置有所述第一加热器(4)，用于为所述半导体热电发电器(3)提供热源；
所述阀门(11)固定连接在所述工质管道(9)与所述液态工质容器(1)的上部出口之间，用于控制工质流通；
所述第二加热器(5)，用于加热所述工质管道中的气液混合工质，使管道中存在的饱和液态工质完全转化为过热气态工质；
所述流量计(6)，用于测量过热气态工质的流量；
所述第二温度压力传感器(7)，用于测量所述管道内的工质温度和压力；
所述第一温度压力传感器(2)，用于测量所述液态工质容器(1)内部液态工质的温度和压力，其向外伸出一测量点，所述测量点设置在所述液态工质容器(1)内部的液面以下；
所述半导体热电发电器(3)外接一功率计(12)，用于测量所述半导体热电发电器(3)的发电功率。
2.根据权利要求1所述的一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述液态工质容器(1)及工质管道(9)外侧均包裹有绝热材料，用于防止所述容器(1)和所述工质管道(9)的热量散失。
3.根据权利要求1所述的一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述液态工质容器(1)、导热块(10)、半导体热电发电器(3)、第一加热器(4)的传热接触面均涂抹导热硅脂，用于降低传热过程的接触热阻。
4.根据权利要求1所述的一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述导热块(10)具有均匀分布且向所述液态工质容器(1)内部延伸的多个翅片(8)，用于增加传热面积，促进液态工质的温度均匀性和沸腾过程。
5.根据权利要求2所述的一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述绝热材料为保温棉。
6.根据权利要求1所述的一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述导热块(10)的材料选自下列之一：紫铜，黄铜和不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种低温半导体温差发电器发电效率测试装置，其特征在于，所述半导体热电发电器(3)包括一个半导体热电组件或多个以串并联组合连接的半导体热电组件。
8.一种利用如权利要求1所述的低温半导体温差发电器发电效率测试装置的发电效率测试方法，包括一低温半导体温差发电器发电效率测试装置，所述测试装置包括半导体热电发电器(3)、液态工质容器(1)、第一加热器(4)、第二加热器(5)、工质管道(9)、阀门(11)、流量计(6)、第一温度压力传感器(2)，第二温度压力传感器(7)和功率计(12)；
其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
步骤1.关闭阀门(11)，使所述液态工质容器(1)和工质管道(9)不流通，向所述液态工质容器(1)中加装液态工质，启动所述第一加热器(4)对所述半导体热电发电器(3)进行加热，使所述液态工质容器(1)内的工质处于沸腾状态，形成气液混合工质；
步骤2.打开阀门(11)，使所述液态工质容器(1)中的气液混合工质流入所述工质管道(9)，启动所述第二加热器(5)进行加热，慢慢调高所述第二加热器(5)的功率，直至所述工质管道(9)内的液态工质完全汽化，使工质处于过热状态，当所述液态工质容器与所述第一加热器、第二加热器构成的***达到热平衡时，记录流量计(6)、第一和第二温度压力传感器的数据；
步骤3.根据获得的所述第一温度压力传感器(2)和第二温度压力传感器(7)的数据查询并获得所述液态工质容器内液态工质与管道出口工质的焓值，液态工质与管道出口工质的焓值为液态工质与管道出口工质的焓差，所述流量计(6)测得的流量与焓差相乘得到工质从液化容器沸腾到管道出口所吸收的总热量，再减去第二加热器所加热的热量即获得半导体热电发电器冷端的散热量；
步骤4.利用功率计测得所述半导体热电发电器的发电功率，发电功率与步骤6获得的散热量之和即为所述半导体热电发电器热端的吸热量，获得的发电功率与吸热量之比即为所述半导体热电发电器的热电转换效率。
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