一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺。包括壓緊螺母、壓桿、壓桿支撐塊、階梯支撐軸、水冷塊、貼片式熱電偶、導(dǎo)電電極、熱電塊體、陶瓷片、保護圍欄、電加熱平臺、螺釘、加熱平臺支撐板、壓力傳感器和支撐底板。它可對熱電模組下端進行加熱并控制熱端加熱溫度，對熱電模組上端進行水冷冷卻，并通過壓桿壓緊有效保證電加熱平臺、熱電模組和水冷塊充分接觸，使熱電模組上下端形成穩(wěn)定的溫度差并產(chǎn)生電動勢。本實用新型能夠準(zhǔn)確測試不同溫差、不同外部施加壓力、不同外部負(fù)載條件下熱電模組內(nèi)阻、輸出電壓、電流和輸出功率的數(shù)值大小，對熱電模組制備工藝優(yōu)化和使用環(huán)境，包括使用溫度區(qū)間、安裝壓力和外部負(fù)載的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。
【專利說明】
一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及測試平臺，尤其是涉及一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有能源體系中，存在著大量的低品位能源，在發(fā)電廠、煉鋼廠、汽車尾氣、太陽能電池板等環(huán)境中，均存在大量的余熱的浪費情況。溫差發(fā)電器是利用溫差發(fā)電材料直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的一種全固態(tài)能量裝置，具有無噪音、無磨損、體積小、壽命長、安全無污染等優(yōu)勢，因此在余熱利用方面有具有較大的潛力。
[0003]熱電模組是溫差發(fā)電器中將熱能轉(zhuǎn)化為電能的核心部件，由P型熱電臂、N型熱電臂、導(dǎo)電電極和陶瓷片組成。工作時，熱電模組一端吸熱溫度升高，另一端散熱溫度降低，由于熱激發(fā)作用，P型熱電臂內(nèi)高溫端的空穴和N型熱電臂內(nèi)高溫端的電子濃度比低溫端高，載流子由高溫端向低溫端移動，形成電動勢，實現(xiàn)對外部負(fù)載的供電過程。
[0004]現(xiàn)在工業(yè)上制備熱電模組的方法有很多，包括釬焊、熱壓燒結(jié)、火花等離子燒結(jié)、固液間擴散連接等。不同制備工藝對熱電模組的發(fā)電性能有直接影響，以焊接為例，不同熱電臂成分、焊料成分、焊接溫度、保溫時間、阻隔層類型等工藝參數(shù)會直接影響焊料和熱電臂的反應(yīng)化合物成分、擴散深度等，從而影響熱電模組的內(nèi)阻和發(fā)電性能。熱電模組性能測試是評價熱電模組制備工藝好壞的重要方法，同時，熱電模組發(fā)電性能是溫差發(fā)電器實際工程的應(yīng)用基礎(chǔ)和必要參數(shù)。
[0005]查閱相關(guān)專利可知，清華大學(xué)于2006年申請了專利“溫差發(fā)電器熱電性能測試系統(tǒng)”(專利申請?zhí)?200610011549.6)，該專利介紹了該測試系統(tǒng)的功能框架，由電加熱單元、循環(huán)冷卻水回路熱阱單元、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元組成，但并未涉及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面內(nèi)容;南京航空航天大學(xué)于2013年申請了專利“一種溫差材料熱電轉(zhuǎn)換性能測試系統(tǒng)及方法”(專利申請?zhí)?201310186572.9)，該專利介紹了該測試系統(tǒng)的功能框架，由電加熱單元、溫差發(fā)電器件單元、循環(huán)冷卻單元、數(shù)據(jù)采集單元組成，同時對溫差發(fā)電器件單元的冷熱兩端溫度進行了監(jiān)測，但該專利并未涉及測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面內(nèi)容，且并未涉及到溫差發(fā)電器件安裝壓力監(jiān)測功能，實際應(yīng)用過程中，溫差發(fā)電器件冷熱端溫度差、安裝壓力對熱電模組發(fā)電性能均有很大影響。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，在該測試平臺上，熱電模組將熱能轉(zhuǎn)化為電能。在發(fā)電過程中，該測試平臺可有效保證熱電模組和冷熱端充分接觸，控制熱端溫度，同時快速準(zhǔn)確對熱電模組冷熱端溫度，外部施加壓力，內(nèi)阻、輸出電壓、電流和輸出功率進行監(jiān)測，探索相同條件下不同溫度差、不同安裝壓力和不同外部負(fù)載對于熱電模組發(fā)電性能的影響。
[0007]本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0008]本實用新型包括壓桿、壓緊螺母、壓桿支撐塊、階梯支撐軸、水冷塊、貼片式熱電偶、導(dǎo)電電極、熱電塊體、陶瓷片、保護圍欄、電加熱平臺、螺釘、加熱平臺支撐板、壓力傳感器和支撐底板；
[0009]在四根等距布置的階梯支撐軸臺肩上，從下至上依次裝有支撐底板、保護圍欄和壓桿支撐塊，支撐底板和保護圍欄之間的階梯支撐軸之間，安裝有與支撐軸形成滑動連接的加熱平臺支撐板，在支撐底板與加熱平臺支撐板間等距安裝有壓力傳感器，電加熱平臺安裝在保護圍欄內(nèi)，電加熱平臺與加熱平臺支撐板之間通過螺釘連接;被測試的熱電模組放在電加熱平臺上，電加熱平臺兩側(cè)分別設(shè)有一組貼片式熱電偶，熱電模組上端面與水冷塊下表面相接觸，水冷塊下表面兩側(cè)分別設(shè)有另一組貼片式熱電偶;壓桿支撐塊通過螺母固定在支撐軸上端，壓桿位于壓桿支撐塊中心處，通過螺紋與壓桿支撐塊連接，通過壓桿支撐塊使水冷塊、熱電模組和電加熱平臺三者相接觸。
[0010]所述壓桿支撐塊為十字形支撐塊。
[0011]所述支撐底板與加熱平臺支撐板間等距安裝有壓力傳感器為四個，所述四個壓力傳感器均布在加熱平臺支撐板和支撐底板之間。
[0012]所述電加熱平臺兩側(cè)分別設(shè)有一組貼片式熱電偶，所述一組貼片式熱電偶為兩個。
[0013]所述水冷塊下表面兩側(cè)分別設(shè)有另一組貼片式熱電偶，所述另一組貼片式熱電偶為兩個。
[0014]本實用新型具有的有益效果是:
[0015]1.該測試平臺可對熱電模組下端進行加熱并控制熱端加熱溫度，對熱電模組上端進行水冷冷卻，并通過壓桿壓緊有效保證電加熱平臺、熱電模組和冷卻塊充分接觸，在熱電模組上下端形成穩(wěn)定的溫度差；
[0016]2.該測試平臺能夠準(zhǔn)確監(jiān)測熱電模組發(fā)電時冷熱兩端的溫度值；
[0017]3.該測試平臺能夠準(zhǔn)確監(jiān)測熱電模組發(fā)電時安裝壓力；
[0018]4.該測試平臺能夠準(zhǔn)確測試不同溫度差、不同外部施加壓力、不同外部負(fù)載條件下熱電模組內(nèi)阻、輸出電壓、電流和輸出功率的數(shù)值大小。
[0019]本實用新型裝置結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，可快速準(zhǔn)確地測試不同溫差、外部施加壓力和負(fù)載條件下熱電模組的發(fā)電性能，對熱電模組制備工藝優(yōu)化和實際應(yīng)用過程中熱電模組使用環(huán)境，包括使用溫度區(qū)間、安裝壓力和外部負(fù)載設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
[0020]基于上述背景，提出并設(shè)計了一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，該平臺可快速準(zhǔn)確對熱電模組冷熱端溫度，外部施加壓力，內(nèi)阻、輸出電壓、電流和輸出功率進行監(jiān)測，探索相同條件下不同溫度差、不同外部施加壓力和不同外部負(fù)載對于熱電模組發(fā)電性能的影響，對熱電模組制備工藝優(yōu)化和實際應(yīng)用過程中熱電模組使用環(huán)境，包括使用溫度區(qū)間、安裝壓力和外部負(fù)載的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型的主視圖。
[0022]圖2是圖1的右視圖。
[0023]圖3是圖1的俯視圖。
[0024]圖4是圖1的B-B剖視圖。
[0025]圖5是外圍電路測試模塊的電路原理圖。
[0026]圖中:1、壓桿，2、壓緊螺母，3、壓桿支撐塊，4、階梯支撐軸，5、水冷塊，6、貼片式熱電偶，7、導(dǎo)電電極，8、熱電塊體，9、陶瓷片，10、保護圍欄，11、電加熱平臺；12、螺釘，13、加熱平臺支撐板，14、壓力傳感器，15、支撐底板。
【具體實施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進行進一步說明。
[0028]圖1、圖2、圖3、圖4所示，所示，本實用新型包括壓桿1、壓緊螺母2、壓桿支撐塊3、階梯支撐軸4、水冷塊5、貼片式熱電偶6、導(dǎo)電電極7、熱電塊體8、陶瓷片9、保護圍欄1、電加熱平臺U、螺釘12、加熱平臺支撐板13、壓力傳感器14和支撐底板15。壓桿I和壓桿支撐塊3組成的壓緊模塊，陶瓷片9、導(dǎo)電電極7和熱電塊體8組成的熱電模組，貼片式熱電偶6組成的溫度監(jiān)測模塊，壓力傳感器14組成的壓力監(jiān)測模塊，階梯支撐軸4、保護圍欄10、螺釘12、加熱平臺支撐板13和支撐底板15組成的支撐模塊。
[0029]在四根等距布置的階梯支撐軸4臺肩上，從下至上依次裝有支撐底板15、保護圍欄10和壓桿支撐塊3，支撐底板15和保護圍欄10之間的階梯支撐軸之間，安裝有與支撐軸形成滑動連接的加熱平臺支撐板13，在支撐底板15與加熱平臺支撐板13間等距安裝有壓力傳感器14，電加熱平臺11安裝在保護圍欄10內(nèi)，電加熱平臺11與加熱平臺支撐板13之間通過螺釘12連接;被測試的熱電模組放在電加熱平臺11上，電加熱平臺11兩側(cè)分別設(shè)有一組貼片式熱電偶6，熱電模組上端面與水冷塊5下表面相接觸，水冷塊5下表面兩側(cè)分別設(shè)有另一組貼片式熱電偶6;壓桿支撐塊3通過壓緊螺母2固定在支撐軸上端，壓桿I位于壓桿支撐塊3中心處，通過壓桿支撐塊3使水冷塊5、熱電模組和電加熱平臺11三者相接觸，實現(xiàn)壓緊過程，保證水冷塊5、熱電模組和電加熱平臺11充分接觸，使得熱量順利從電加熱平臺11經(jīng)由熱電模組流向水冷塊5。
[0030]所述壓桿支撐塊2為十字形支撐塊。
[0031]所述支撐底板15與加熱平臺支撐板13間等距安裝有壓力傳感器14為四個，四個壓力傳感器均布在加熱平臺支撐板13和支撐底板15之間。
[0032]所述電加熱平臺11兩側(cè)分別設(shè)有一組貼片式熱電偶6，所述一組貼片式熱電偶為兩個。
[0033]所述水冷塊5下表面兩側(cè)分別設(shè)有另一組貼片式熱電偶6，所述另一組貼片式熱電偶為兩個。
[0034]如圖1、圖2、圖3所示，陶瓷片9、導(dǎo)電電極7和熱電塊體8 (P、N型熱電臂)組成熱電模組。在熱電模組的上端，安裝有水冷塊5，水冷塊5有一個入水口，一個出水口，通過水冷實現(xiàn)對熱電模組上端的冷卻;在熱電模組的下端，安裝有電加熱平臺11，該電加熱平臺11輸出功率可調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對熱電模組下端的加熱并控制熱端溫度。在水冷塊4和電加熱平臺11作用下，熱電模組上下端形成溫度差，產(chǎn)生電能并實現(xiàn)對外部負(fù)載的供電。
[0035]如圖1、圖2、圖4所示，在熱電模組的前后方向，電加熱平臺11上表面和水冷塊5下表面分別均布了四個貼片式熱電偶6，組成溫度監(jiān)測模塊，用于檢測熱電模組冷端和熱端的溫度，探究相同條件下不同溫度差對于熱電模組發(fā)電性能的影響。
[0036]如圖1、圖2所示，在加熱平臺支撐板13和支撐底板15之間，實驗平臺的前后左右位置均布了四個壓力傳感器14，組成壓力監(jiān)測模塊，用于檢測壓緊模塊對熱電模組施加的壓力，探究相同條件下不同外部施加壓力對于熱電模組發(fā)電性能的影響。
[0037]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，階梯支撐軸3、保護圍欄10、螺釘12、加熱平臺支撐板13和支撐底板15組成支撐模塊。其中，階梯支撐軸4，從上至下依次對壓桿支撐塊3、保護圍欄10和支撐底板15進行定位，且階梯支撐軸4底部加工有螺紋，通過螺紋配合將整個實驗平臺固定在平臺上;保護圍欄10安裝在電加熱平臺11的外側(cè)，防止加熱至高溫后的加熱平臺燙傷實驗人員；螺釘12通過螺紋配合將電加熱平臺11懸空支撐并固定在加熱平臺支撐板13上側(cè);支撐底板15上側(cè)放置壓力傳感器14，加熱平臺支撐板13放置在壓力傳感器14上面。
[0038]如圖5所示為外圍電路測試模塊基本電路原理圖，電源Vteg表示熱電模組，電源正負(fù)端對應(yīng)圖4中熱電模組的正、負(fù)端輸出電極，電阻Rtec表示熱電模組的內(nèi)阻。開關(guān)S全部斷開時，可測量得到相應(yīng)條件下熱電模組的開環(huán)輸出電壓V;開關(guān)S閉合時，可測量得到當(dāng)外部負(fù)載滑動變阻器阻值為R1-時，熱電模組的閉環(huán)輸出電壓為Vlciad,即可計算得到熱電模組的內(nèi)阻Rteg =(V-V1ad)/V1ad*R1ad，閉合回路的電流I = V1ad/R1ad，輸出功率P = Viciad*I ；改變滑動變阻器阻值為Riciad，可測量得到不同外部負(fù)載下熱電模組的閉環(huán)輸出電壓Vlciad,并計算得到閉合回路電流I，輸出功率P。
[0039]綜上所述，該測試平臺結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，可快速準(zhǔn)確測量在不同溫度差、不同外部施加壓力、不同負(fù)載條件下熱電模組的內(nèi)阻Rtec，開環(huán)輸出電壓V，閉環(huán)輸出電壓Vlciad,輸出電流I和輸出功率P。因此，該測試平臺對熱電模組制備工藝的優(yōu)化和對熱電模組安裝時的外部施加壓力、使用溫度區(qū)間和外部負(fù)載的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。
[0040]上述【具體實施方式】用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用新型的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本實用新型做出的任何修改和改變，都落入本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，其特征在于:包括壓桿(I)、壓緊螺母(2)、壓桿支撐塊(3)、階梯支撐軸(4)、水冷塊(5)、兩組貼片式熱電偶、保護圍欄(10)、電加熱平臺(11)、螺釘(12)、加熱平臺支撐板(13)、壓力傳感器(14)和支撐底板(15); 在四根等距布置的階梯支撐軸(4)臺肩上，從下至上依次裝有支撐底板(15)、保護圍欄(10)和壓桿支撐塊(3)，支撐底板(15)和保護圍欄(10)之間的階梯支撐軸之間，安裝有與支撐軸形成滑動連接的加熱平臺支撐板(13)，在支撐底板(15)與加熱平臺支撐板(13)間等距安裝有壓力傳感器(14)，電加熱平臺(11)安裝在保護圍欄(10)內(nèi)，電加熱平臺(11)與加熱平臺支撐板(13)之間通過螺釘(12)連接;被測試的熱電模組放在電加熱平臺(I I)上，電加熱平臺(11)兩側(cè)分別設(shè)有一組貼片式熱電偶，熱電模組上端面與水冷塊(5)下表面相接觸，水冷塊(5)下表面兩側(cè)分別設(shè)有另一組貼片式熱電偶;壓桿支撐塊(3)通過壓緊螺母(2)固定在階梯支撐軸(4)上端，壓桿(I)位于壓桿支撐塊(3)中心處，通過螺紋與壓桿支撐塊(3)連接，通過壓桿支撐塊(3)使水冷塊(5)、熱電模組和電加熱平臺(11)三者相接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，其特征在于:所述壓桿支撐塊(3)為十字形支撐塊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，其特征在于:所述支撐底板(15)與加熱平臺支撐板(13)間等距安裝有壓力傳感器(14)為四個，所述四個壓力傳感器均布在加熱平臺支撐板(13)和支撐底板(15)之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，其特征在于:所述電加熱平臺(11)兩側(cè)分別設(shè)有一組貼片式熱電偶，所述一組貼片式熱電偶為兩個。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱電模組發(fā)電性能測試平臺，其特征在于:所述水冷塊(5)下表面兩側(cè)分別設(shè)有另一組貼片式熱電偶，所述另一組貼片式熱電偶為兩個。
【文檔編號】G01R31/26GK205539351SQ201620095215
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月29日
【發(fā)明人】諶禮群, 梅德慶, 王輝, 李佳碧
【申請人】浙江大學(xué)