稳态平板法在热电器件热电转换效率测试中的应用

赵士超，张　琪，吕燕飞，张志豪

(杭州电子科技大学，浙江 杭州　310018)



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稳态平板法在热电器件热电转换效率测试中的应用

赵士超*，张琪，吕燕飞，张志豪

(杭州电子科技大学，浙江 杭州310018)

摘 要：将稳态平板法测导热系数的实验应用于热电器件热电转换效率的测试，通过测量输入器件的传热速率和负载的输出电功获得热电器件的热电转换效率。研究发现，稳态平板法可以测量工作温度在室温到100 ℃范围内热电器件的热电转换效率。

关键词：热电器件；稳态平板法；热电转换效率；传热速率

热电器件是将热能转换成电能的器件，它无需加热工作介质而直接由固体内部载流子运动实现热能与电能的转换，具有无振动、无噪声、无污染的优点，在废热利用、绿色住宅和野外无电网覆盖地区具有广阔的应用空间。热电材料的热电性能可以通过材料的热电优值衡量，但对于热电材料制备的热电器件热电转换效率还没有统一的测试标准。相对于电学量，热学量是较难测量的一个物理量。王庆华等人将输入热功率分解为输出电功率和流出热功率测定了温差电单偶的热电转化效率，Kangy和Mueller等人通过热流计和已知材料的热导率计算了流过样品的热流量[1-3]。稳态平板法是测量材料导热系数的一种常用方法，这里我们采用稳态平板法测量流入热电器件的热量来计算热电器件的热电转换效率，这种测试方法借助物理教学实验设备成本低，操作简单方便，适合于工作温度在室温到100 ℃范围内的热电器件的热电转换效率的测试。

1测试原理

稳态平板法测试热电转换效率。

式中负号表示热量是从高温传向低温区，λ为导热系数。

为了在器件内形成一个温度的梯度分布，把器件夹在两块良导体紫铜板之间，如图1所示，使两块铜板分别保持在恒定温度T1和T2，就可能在垂直器件表面的方向上形成温度梯度。

式中的m为散热盘的质量，C为散热盘的比热容比(3.77×102J/kg·K)，负号表示热量向低温区传递。这样对散热盘的散热速率的测量又转化为对散热盘冷却速率的测量。散热盘的冷却速率可以这样测量：在达到稳态后，移去器件，用加热盘直接对散热盘加热，使其温度高于稳态温度T2大约10 ℃左右，再让其在环境中自然冷却(散热盘上表面覆盖绝热板)，直到低于T2大约10 ℃左右，在该温度区间内测出温度随时间的变化关系，绘制T～t曲线，曲线在T2处的斜率K就是散热盘在稳态T2下的散热速率[4-5]。

2数据测量与结果

2.1测试仪器

T127-4型热电器件(热电材料为P-型Sb2Te3和N-型Bi2Te3)、THQDC-1型热导系数测定仪，游标卡尺，天平，聚氨酯绝热板，电阻，标准电流表(0.5级)、标准电压表(0.5级)。

2.2测试步骤

1)用游标卡尺测量散热盘的几何尺寸，多次测量取平均值；

2)用天平测量散热盘的质量；

3)按图安装散热盘、器件和加热盘；

4)设置加热盘温度参数；

5)测量稳态时器件上下表面温度T1和T2；

6)测定散热盘冷却速率；

移去器件，将加热盘放在散热盘上直接加热，当散热盘温度高于散热盘稳态温度T210 ℃左右时，移去加热盘，盖上绝热板使散热盘冷却，每隔10秒记录一次散热盘温度，直到低于T210 ℃左右。

7)作图求冷却速率曲线。

以时间t为x轴，温度T为y轴，画出冷却曲线，然后用镜尺法画出曲线上稳态温度T2点的切线，求此切线的斜率K，K即为温度T2时散热盘的冷却速率[6]。

8)根据

2.3测试结果

稳态温度42.8 ℃时，k=0.020，总传热速率P0=cmK=8.44 W。总传热速率P0=P1+P2，P1为通过器件传递的传热速率，P2为通过散热盘与加热盘之间空气层传递的传热速率。P2的测试与计算：两散热盘与加热盘之间空气层厚度设置为器件高度，设置加热盘温度与器件导热时的稳态温度相同70 ℃，稳态时散热盘温度33.2 ℃,见图1。散热盘稳态温度33.2 ℃时，k=0.009 0，P2=cmK=3.8 W。扣除器件与散热盘接触面积所对应空气导热功率后：

热电器件传热速率

P1=P0-P2=8.44-3.26=5.18 W,所以热电器件的热电转换效率

计算所用数据见表1和图1.

3结论

通过稳态平板法测量热电器件高温端热输入速率和通过测量热电器件负载输出电功功率计算得到热电器件的热电转换效率，在70 ℃所测的热电器件热电转换效率1.2%。所用的测试方法对进一步研究和开发热电器件热电转换效率测试设备有一定参考性。

参考文献：

[1]王庆华，王东红，张建中，张丽丽.一种温差电单电偶热电转换效率的测试方法[J].电源技术，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．大学物理实验[J]．浙江大学出版社，2002：75-79.

[5]胡建人．大学物理实验教程[M]．北京：科学出版社，2010：90-93.

[6]李理，等.热电材料室温下塞贝克系数测试装置的研制[J].大学物理实验，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

基金项目：浙江省科技厅面上项目(2008C31003)；浙江省自然科学基金面上项目(LY16E020008)。

文章编号：1007-2934(2016)03-0012-03

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.004