穩(wěn)態(tài)平板法在熱電器件熱電轉(zhuǎn)換效率測試中的應(yīng)用

趙士超，張　琪，呂燕飛，張志豪

(杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州　310018)

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*通訊聯(lián)系人

穩(wěn)態(tài)平板法在熱電器件熱電轉(zhuǎn)換效率測試中的應(yīng)用

趙士超*，張琪，呂燕飛，張志豪

(杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州310018)

摘 要：將穩(wěn)態(tài)平板法測導(dǎo)熱系數(shù)的實驗應(yīng)用于熱電器件熱電轉(zhuǎn)換效率的測試，通過測量輸入器件的傳熱速率和負(fù)載的輸出電功獲得熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率。研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)平板法可以測量工作溫度在室溫到100 ℃范圍內(nèi)熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率。

關(guān)鍵詞：熱電器件；穩(wěn)態(tài)平板法；熱電轉(zhuǎn)換效率；傳熱速率

熱電器件是將熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件，它無需加熱工作介質(zhì)而直接由固體內(nèi)部載流子運(yùn)動實現(xiàn)熱能與電能的轉(zhuǎn)換，具有無振動、無噪聲、無污染的優(yōu)點，在廢熱利用、綠色住宅和野外無電網(wǎng)覆蓋地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用空間。熱電材料的熱電性能可以通過材料的熱電優(yōu)值衡量，但對于熱電材料制備的熱電器件熱電轉(zhuǎn)換效率還沒有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。相對于電學(xué)量，熱學(xué)量是較難測量的一個物理量。王慶華等人將輸入熱功率分解為輸出電功率和流出熱功率測定了溫差電單偶的熱電轉(zhuǎn)化效率，Kangy和Mueller等人通過熱流計和已知材料的熱導(dǎo)率計算了流過樣品的熱流量[1-3]。穩(wěn)態(tài)平板法是測量材料導(dǎo)熱系數(shù)的一種常用方法，這里我們采用穩(wěn)態(tài)平板法測量流入熱電器件的熱量來計算熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率，這種測試方法借助物理教學(xué)實驗設(shè)備成本低，操作簡單方便，適合于工作溫度在室溫到100 ℃范圍內(nèi)的熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率的測試。

1測試原理

穩(wěn)態(tài)平板法測試熱電轉(zhuǎn)換效率。

式中負(fù)號表示熱量是從高溫傳向低溫區(qū)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

為了在器件內(nèi)形成一個溫度的梯度分布，把器件夾在兩塊良導(dǎo)體紫銅板之間，如圖1所示，使兩塊銅板分別保持在恒定溫度T1和T2，就可能在垂直器件表面的方向上形成溫度梯度。

式中的m為散熱盤的質(zhì)量，C為散熱盤的比熱容比(3.77×102J/kg·K)，負(fù)號表示熱量向低溫區(qū)傳遞。這樣對散熱盤的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對散熱盤冷卻速率的測量。散熱盤的冷卻速率可以這樣測量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去器件，用加熱盤直接對散熱盤加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度T2大約10 ℃左右，再讓其在環(huán)境中自然冷卻(散熱盤上表面覆蓋絕熱板)，直到低于T2大約10 ℃左右，在該溫度區(qū)間內(nèi)測出溫度隨時間的變化關(guān)系，繪制T～t曲線，曲線在T2處的斜率K就是散熱盤在穩(wěn)態(tài)T2下的散熱速率[4-5]。

2數(shù)據(jù)測量與結(jié)果

2.1測試儀器

T127-4型熱電器件(熱電材料為P-型Sb2Te3和N-型Bi2Te3)、THQDC-1型熱導(dǎo)系數(shù)測定儀，游標(biāo)卡尺，天平，聚氨酯絕熱板，電阻，標(biāo)準(zhǔn)電流表(0.5級)、標(biāo)準(zhǔn)電壓表(0.5級)。

2.2測試步驟

1)用游標(biāo)卡尺測量散熱盤的幾何尺寸，多次測量取平均值；

2)用天平測量散熱盤的質(zhì)量；

3)按圖安裝散熱盤、器件和加熱盤；

4)設(shè)置加熱盤溫度參數(shù)；

5)測量穩(wěn)態(tài)時器件上下表面溫度T1和T2；

6)測定散熱盤冷卻速率；

移去器件，將加熱盤放在散熱盤上直接加熱，當(dāng)散熱盤溫度高于散熱盤穩(wěn)態(tài)溫度T210 ℃左右時，移去加熱盤，蓋上絕熱板使散熱盤冷卻，每隔10秒記錄一次散熱盤溫度，直到低于T210 ℃左右。

7)作圖求冷卻速率曲線。

以時間t為x軸，溫度T為y軸，畫出冷卻曲線，然后用鏡尺法畫出曲線上穩(wěn)態(tài)溫度T2點的切線，求此切線的斜率K，K即為溫度T2時散熱盤的冷卻速率[6]。

8)根據(jù)

2.3測試結(jié)果

穩(wěn)態(tài)溫度42.8 ℃時，k=0.020，總傳熱速率P0=cmK=8.44 W?？倐鳠崴俾蔖0=P1+P2，P1為通過器件傳遞的傳熱速率，P2為通過散熱盤與加熱盤之間空氣層傳遞的傳熱速率。P2的測試與計算：兩散熱盤與加熱盤之間空氣層厚度設(shè)置為器件高度，設(shè)置加熱盤溫度與器件導(dǎo)熱時的穩(wěn)態(tài)溫度相同70 ℃，穩(wěn)態(tài)時散熱盤溫度33.2 ℃,見圖1。散熱盤穩(wěn)態(tài)溫度33.2 ℃時，k=0.009 0，P2=cmK=3.8 W?？鄢骷c散熱盤接觸面積所對應(yīng)空氣導(dǎo)熱功率后：

熱電器件傳熱速率

P1=P0-P2=8.44-3.26=5.18 W,所以熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率

計算所用數(shù)據(jù)見表1和圖1.

3結(jié)論

通過穩(wěn)態(tài)平板法測量熱電器件高溫端熱輸入速率和通過測量熱電器件負(fù)載輸出電功功率計算得到熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率，在70 ℃所測的熱電器件熱電轉(zhuǎn)換效率1.2%。所用的測試方法對進(jìn)一步研究和開發(fā)熱電器件熱電轉(zhuǎn)換效率測試設(shè)備有一定參考性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王慶華，王東紅，張建中，張麗麗.一種溫差電單電偶熱電轉(zhuǎn)換效率的測試方法[J].電源技術(shù)，2006,30(4):326-328.

[2]Kangy.S.,Niino M.,Nishida I.A.Yoshimo J.Development and Evaluation of 3-stage Segmented Thermoelectric Elements[J].Proceedings of 17th International Conference on Thermoelectrics，p429-432，1998.

[3]Mueller E,Bruch J.U,Schilz J.TE Generator Test Facility for Low Resistance Single Elements[J].Proceedings of 17th International Conference on Thermoelectrics，p441-444，1998.

[4]高文斌，宗春迎，胡建人．大學(xué)物理實驗[J]．浙江大學(xué)出版社，2002：75-79.

[5]胡建人．大學(xué)物理實驗教程[M]．北京：科學(xué)出版社，2010：90-93.

[6]李理，等.熱電材料室溫下塞貝克系數(shù)測試裝置的研制[J].大學(xué)物理實驗，2015(3)：21-23.

Application of the Steady-State Plate in the Measurement of Thermoelectric Conversion Efficiency

ZHAO Shi-chao，ZHANG Qi,LV Yan-fei,ZHANG Zhi-hao

(Hangzhou Dianzi University,Zhejiang Hangzhou 310018)

Key words：thermoelectric device；steady-state plate；thermoelectric conversion efficiency；rate of the heat transfer

Abstract：We investigated the measurement of thermoelectric conversion efficiency by using steady-state plate through the test of the rate of the heat transfer and the output of the load.We found that steady-state plate can be used to measure the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric device working in the temperature range from room temperature to 100 ℃.

收稿日期：2015-12-28

基金項目：浙江省科技廳面上項目(2008C31003)；浙江省自然科學(xué)基金面上項目(LY16E020008)。

文章編號：1007-2934(2016)03-0012-03

中圖分類號：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.004