專利名稱：一種熱電發(fā)電元器件性能測量裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電發(fā)電元器件性能測量裝置及其方法，屬于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱電發(fā)電是一種利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)變成電能的技術(shù)，它具有系統(tǒng)可靠性高、壽命長、適應(yīng)性廣等特點。以同位素為熱源、熱電發(fā)電技術(shù)為核心的同位素?zé)犭姲l(fā)電器作為特種電源，在空間探測及特殊軍用場合有著重要的應(yīng)用；同時，熱電發(fā)電作為一種綠色能源技術(shù)，在利用太陽能及低密度工業(yè)余廢熱發(fā)電方面具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟和社會效益，近年來受到發(fā)達國家的廣泛關(guān)注。
熱電發(fā)電元器件是熱電發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)與熱電發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及其性能指標(biāo)密切相關(guān)。開路電壓、輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率是熱電發(fā)電元器件的基本技術(shù)參數(shù)，可以用實驗方法測定。美國專利(PCT/US03/14771)《A thermoelectric device teststructure》，文獻《Radioisotope Thermoelectric Generators Basedon Segmented BiTe/PbTe-BiTe/TAGS/PbSnTe》(Malachy McAlonan，eta1，《Space Technology and Applications InternationalForum-STAIF2006》，edited by M.S.El-Genk，p573-580)、《TestResults and Performance Comparisons of Coated and Un-coatedSkutterudite Based Segmented Unicouple》(M.S.El-Genk，et al，《Energy Conversion and Management》，2006，volume 47，p174-200)對測量熱電發(fā)電元器件開路電壓、輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率的方法作了一些介紹；這些方法有一個共同的特點，即采用單側(cè)熱源向一對或一組元器件提供熱量，需要用絕熱材料包裹熱源，由于防止熱傳導(dǎo)和熱輻射比較困難，單側(cè)熱源的方法造成輸入測量系統(tǒng)的熱量損失較大；為了比較準(zhǔn)確的測量輸入測量系統(tǒng)的熱量，通常采用熱流計對流入、流出待測元器件的熱量進行標(biāo)定，采用半分析法對元器件的能量轉(zhuǎn)換效率進行計算，這樣不僅增加了測量系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且不能對其進行直接有效地測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種新的熱電發(fā)電元器件性能測量方法，避免輸入測量系統(tǒng)熱量的損失，不采用熱流計，以降低測量系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并能對元器件的能量轉(zhuǎn)換效率進行直接有效的測量。
本發(fā)明技術(shù)方案原理是采用雙側(cè)對稱熱源，同時對兩個熱電發(fā)電元器件進行測量，其目的在于保證熱量沿著元器件傳導(dǎo)，建立溫差，以避免熱量損失。
為了實現(xiàn)這樣目的，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，對熱源進行專門設(shè)計，采用薄片狀熱源，熱源的雙側(cè)對稱熱傳導(dǎo)面的尺寸與元器件的受熱面尺寸一樣，并將熱源及熱電發(fā)電元器件置于高真空中，防止輸入測量系統(tǒng)熱量的傳導(dǎo)及對流損失，并將輻射熱損失降低到最小，這樣可以將電源輸入系統(tǒng)的能量近似地作為熱電發(fā)電元器件的輸入能量，不用熱流計標(biāo)定，比較準(zhǔn)確地得到輸入測量元器件的熱量，達到降低測量系統(tǒng)復(fù)雜程度、直接有效地測量熱電發(fā)電元器件能量轉(zhuǎn)換效率的目的。
本發(fā)明熱電發(fā)電元器件性能測量方法的裝置由熱源(1)、冷端(3)、直流電源(4)、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻(5)、多通道數(shù)據(jù)采集器(6)、計算機(7)、熱電偶(8)、真空泵(9)組成，其中熱源(1)為薄片狀，熱源的雙側(cè)對稱熱傳導(dǎo)面的尺寸與元器件的受熱面尺寸相同；直流電源(4)和熱源連接并為熱源提供電力；冷端(3)是水冷、油冷或風(fēng)冷；熱源和冷端均與熱電偶(8)連接并由熱電偶測量溫度；標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻(5)與熱電發(fā)電元器件(2)輸出端連接；熱源、冷端和熱電發(fā)電元器件一起密封在封閉容器內(nèi)，封閉容器與真空泵(9)相連，并由真空泵抽真空。
當(dāng)熱電發(fā)電元器件存在溫差，產(chǎn)生溫差電動勢，熱電發(fā)電元器件引線端電動勢之差即其開路電壓；熱電發(fā)電元器件接入標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，改變電阻，熱電發(fā)電元器件輸出電流、電壓，二者之積即輸出功率，當(dāng)負(fù)載電阻與元器件內(nèi)阻相等時，輸出功率最大，等于開路電壓的平方除以元器件的內(nèi)阻；輸出功率與輸入系統(tǒng)熱量之比即熱電發(fā)電元器件的能量轉(zhuǎn)換效率。改變直流電源的輸出功率，溫差隨之改變，可以得到不同溫差下熱電發(fā)電元器件的開路電壓、輸出功率及能量轉(zhuǎn)換效率。冷端溫度、熱端溫度、熱電發(fā)電元器件的輸出電壓和電流、直流電源輸入的電壓和電流分別接入多通道數(shù)據(jù)采集儀，同時進行記錄，并通過計算機進行數(shù)據(jù)處理，輸出元器件的開路電壓、輸出功率及能量轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的測量方法按如下步驟進行
(1)將熱電發(fā)電元器件安裝在熱源和冷端之間，在熱電發(fā)電元器件輸出端連接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，然后密封，建立真空；(2)在熱電發(fā)電元器件熱端、冷端之間建立溫差，熱端溫度、冷端溫度由多通道數(shù)據(jù)采集器采集；(3)改變標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，得到熱電發(fā)電元器件的輸出電壓、輸出電流，由多通道數(shù)據(jù)采集器采集；輸出電壓與輸出電流之積為元器件的輸出功率，(4)電源輸入的電壓、電流由多通道數(shù)據(jù)采集器采集。輸入電壓與輸入電流之積為輸入功率，(5)計算熱電發(fā)電元器件輸出功率與輸入功率之比為元器件的能量轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明采用雙測對稱熱源，避免了輸入測量系統(tǒng)的熱量損失，而且可以同時對兩個熱電發(fā)電元器件進行測量，與目前的單側(cè)熱源方法相比，具有測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、效率高、可對能量轉(zhuǎn)換效率進行直接有效測量等特點。


圖1是本發(fā)明熱電發(fā)電元器件性能測量裝置示意圖。
圖中，1為熱源，2為熱電發(fā)電元器件，3為冷端，4為直流電源，5為外接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，6為多通道數(shù)據(jù)記錄儀，7為計算機，8為熱電偶，9為真空泵。
具體實施例方式
測量時首先將熱電發(fā)電元器件2安裝在熱源1和冷端3之間，在元器件的輸出端接入標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻5；啟動真空泵9，建立真空；接通直流電源4，熱源l發(fā)熱，與冷端3建立溫差，熱端溫度、冷端溫度由熱電偶7測量、多通道數(shù)據(jù)記錄儀6采集；熱電發(fā)電元器件產(chǎn)生溫差電動勢，改變標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻5，元器件輸出電流、電壓隨著改變，其值由多通道記錄儀6采集；計算機7進行數(shù)據(jù)處理，輸出元器件的開路電壓、輸出功率及能量轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種熱電發(fā)電元器件性能測量裝置，其特征在于由熱源(1)、冷端(3)、直流電源(4)、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻(5)、多通道數(shù)據(jù)采集器(6)、計算機(7)、熱電偶(8)、真空泵(9)組成，其中熱源(1)為薄片狀，熱源的雙側(cè)對稱熱傳導(dǎo)面的尺寸與熱電發(fā)電元器件的受熱面尺寸相同；直流電源(4)和熱源連接并為熱源提供電力；熱源和冷端均與熱電偶(8)連接并由熱電偶測量溫度；標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻(5)與熱電發(fā)電元器件輸出端連接；熱源、冷端和熱電發(fā)電元器件一起密封，封閉空間與真空泵(9)相連，并由真空泵抽真空。
2.按權(quán)利要求1所述的一種熱電發(fā)電元器件性能測量裝置，其特征在于冷端(3)是水冷、油冷或風(fēng)冷；
3.按權(quán)利要求1所述的一種熱電發(fā)電元器件性能測量裝置的方法，其特征在于包括下述步驟(1)同時將兩個熱電發(fā)電元器件對稱地安裝在熱源和冷端之間，在熱電發(fā)電元器件輸出端連接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，然后密封，建立真空；(2)在熱電發(fā)電元器件熱端、冷端之間建立溫差，熱端溫度、冷端溫度由多通道數(shù)據(jù)采集器采集；(3)改變標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，得到熱電發(fā)電元器件的輸出電壓、輸出電流，由多通道數(shù)據(jù)采集器采集；輸出電壓與輸出電流之積為元器件的輸出功率，(4)電源輸入的電壓、電流由多通道數(shù)據(jù)采集器采集。輸入電(5)計算熱電發(fā)電元器件輸出功率與輸入功率之比為元器件的能量轉(zhuǎn)換效率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱電發(fā)電元器件性能測量裝置及其方法，屬于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。測量裝置由熱源(1)、冷端(3)、直流電源(4)、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻(5)、多通道數(shù)據(jù)采集器(6)、計算機(7)、熱電偶(8)、真空泵(9)組成。本發(fā)明的測量方法是將同時將兩個熱電發(fā)電元器件安裝在熱源和冷端之間，在熱電發(fā)電元器件輸出端連接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，通過改變標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻，得到熱電發(fā)電元器件的輸出功率，并和輸入功率之比為元器件的能量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明采用雙測對稱熱源，避免了輸入測量系統(tǒng)的熱量損失，而且可以同時對兩個熱電發(fā)電元器件進行測量，與目前的單側(cè)熱源方法相比，測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、效率高、可對能量轉(zhuǎn)換效率進行直接有效測量。
文檔編號G01R31/265GK1975448SQ20061011942
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者李小亞, 柏勝強, 陳立東, 樊俊峰 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所