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1、 1一种温差电单偶热电转换效率的测试方法一种温差电单偶热电转换效率的测试方法 王庆华1，王东红1，张建中2，张丽丽2 （1. 哈尔滨工业大学电子科学系，黑龙江，哈尔滨，150001 2. 中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300381） 摘要：摘要： 提出了一种温差电单偶热电转换效率的测试方法， 将测定输入温差电单偶的热功率分解为测定温差电单偶的输出电功率与测定从温差电单偶流出的热功率， 并用温差电热功率计测定温差电单偶冷面流出的热功率。 该测试方法避免了测量输入温差电元件的热功率， 因此可以不考虑温差电元件侧面对流、 辐射热损失防护问题。 半导体温差电材料的塞贝克系数可以是金属的几倍，
2、因此温差电热功率计的灵敏度高，热电转换效率的测量可以获得较高精度。 文章给出了一些温差电单偶热电转换效率的测试结果。热面温度 500，冷面温度 50时，碲化铅/碲化铋级联温差电单偶的最大热电转换效率测试结果为 8.45%。 当冷面温度固定在 50，作者测试了一对碲化铋温差电单偶热电转换效率随热面温度变化的规律， 结果显示其热电转换效率呈近似线性增长。文章讨论了测试误差的来源，认为测试误差主要来源于热流量计的标定。 王庆华(1966)，男，河南省人，高级工程师，主要研究方向为温差电技术。 A Test Method for Heat to Electricity Conversion Effic
3、iency of Thermoelectric Unicouple WANG Qing-hua1,WANG Dong-hong1,ZHANG Jian-zhong2,ZHANG Li-li2 1) Harbin University of Technology, Hei longjiang , Harbin, 150001, China 2) Tianjin Institute of Power Sources, Tianjin 300381, China Abstract: The authors present a test method for heat to electricity c
4、onversion efficiency of thermoelectric unicouple. During test the input thermal power of thermoelectric unicouple has been divided into the output electrical power plus output thermal power out of the unicouple. The later has been determined by a thermoelectric thermal power meter. The method avoids
5、 the difficulties to measure the input thermal power into the unicouple, so that the convection and radiation heat lose out of the unicouple side can be ignored. Owing to the value of Seebeck Coefficient of the semiconductor thermoelectric materials could be many times of the metals, the thermoelect
6、ric thermal power meter has high sensitivity, so that higher test precision could be gained in test for conversion efficiency of thermoelectric unicouple. The paper presents some test results for heat to electricity conversion efficiency of thermoelectric unicouples. The maximum conversion efficienc
7、y of PbTe/BiTe cascade unicouple is 8.45%, when the cold and hot side temperatures are 50 and 500, respectively. Fixed the cold side temperature in 50 , the authors tested the dependence of maximum efficiency of a BiTe unicouple on hot side temperature. Test results show that the maximum conversion
8、efficiency increases linearly. At last the paper discussed about the test error of the method. The authors indicate that the test error of the method is caused mainly by the calibration of thermal power meter. Biography: Wang Qing-hua (1966), male, senior engineer. 2近十几年来， 由于环境保护和空间应用的需要， 温差电材料和器件的研
9、究重新引起人们的兴趣。研究的重点是提高温差发电器的效率，主要途径有采用新型高效温差电材料；研制功能梯度温差电材料（包括分段温差电元件）和级联温差电器件，等等。温差电元件、单偶、器件的热电转换效率是最主要的性能参数。无疑，热电转换效率的测定是研究温差电器件的重要手段。 温差电单偶（或元件，下同）的热电转换效率，定义为在规定的热面温度和冷面温度下温差电单偶发出的电功率除以热面输入的热流量。因此，温差电元件或温差电单偶热电转换效率，通常通过测定温差电单偶热面输入的热流量和发出的电功率来计算。 一般来说，电功率的测定比较容易，精度也高。而热流量的测定，文献报道有几种。有的作者【1】直接测定加热器的热功
10、率。另一些作者【2，3】在样品上下两端各安置一个热流计，测定热流计上的温度降，利用标准金属材料已知的热导率，计算通过样品的热流量。由于流经温差电元件或单偶热量的辐射、对流等热损失不可避免，热功率很难精确测定，因此热电转换效率的测试误差很大。目前国际上还没有理想的温差电元件或温差电单偶热电转换效率的测试方法。 我们提出了一种温差电单偶热电转换效率的测试方法， 将测定输入温差电单偶的热流量分解为测定温差电单偶的输出电功率与测定从温差电单偶流出的热流量， 并且用温差电热流计测定温差电单偶冷面流出的热流量。 作者提出的测试方法避免了测量输入温差电元件的热流量， 因此可以不考虑温差电元件侧面对流、辐射热
11、损失防护问题。半导体温差电材料的塞贝克系数可以是金属的几倍，因此温差电热流量计的灵敏度高，热流量的测量可以获得高测试精度。该测试方法可用于温差电元件、温差电组件热电转换效率的测量，也可同时测量其输出特性。此外，该测试方法操作简便，而且可以适应广阔的温度范围和热流量范围。 1 测量原理和方法测量原理和方法 温差电单偶的热电转换效率定义为： inP （1） 式中，P 温差电单偶输出的电功率，W； in 输入温差电单偶的热流量，W； 温差电单偶的热电转换效率。 在绝热条件下，输入温差电单偶的热流量可用下式表达： Pin（2） 3式中， 从温差电单偶另一端输出的热流量，W。 因此，温差电单偶的热电转换
12、效率可以通过下式计算: PP （3） 温差电单偶输出的电功率 P 很容易通过测定电阻负载的电流和电压，然后用欧姆定律计算。本文作者采用温差电热流量计测定从温差电单偶另一端输出的热流量。 温差电热流量计可以用温差电组件制作，适应不同温度范围的温差电热流量计可以用碲化铋基、碲化铅基或硅-锗合金温差电材料制作。利用碲化铋温差电组件就可以制作室温到 200温度范围使用的热流量计。 作者设计了一个测定温差电单偶的热电转换效率测试装置，该装置的示意图见图 1。 1234 51- 保温材料，2-电加热器，3-温差电单偶，4-温差电热流量计，5-热槽 1-thermal isolation, 2-electr
13、ic heater, 3-thermoelectric unicouple, 4-thermoelectric power meter, 5-heat sink 图 1 温差电单偶热电转换效率测试装置示意图 Fig.1 The sketch of test equipment for measuring heat to electricity conversion efficiency of thermoelectric unicouples 参照图 1，将电加热器、温差电单偶、温差电热流量计、热槽依次夹紧在测试台上。温差电单偶热面和冷面分别安装测温热电偶， 在温差电热流量计上下面分别安装测温
14、热电偶， 温差电单偶安装电输出引线， 温差电热流量计安装电输出引线， 各测温热电偶和电输出引线分别与温度测量仪表和电压测量仪表相联接。 温差电单偶接入一个电阻负载。电加热器升温，同时调节热槽温度，使温差电单偶的热面温度 th和冷面温度 tc达到并恒定。 测定此时温差电单偶的输出电功率 P。测定温差电热流量计的热电势 。记录温差电热流量计的热面温度和冷面温度。 4对照预先标定的温差电热流量计的流量-热电势曲线，可以确定该状态经过热流量计的热流量 。也可由事先将标定的流量-热电势曲线拟合出流量-热电势公式，将测定的热电势 代入该公式就可计算得经过热流量计的热流量 。 图 2 为一个温差电热流量计的
15、流量-热电势标定曲线。流量-热电势关系表达式为 =A + B 式中， 热流量，单位 W; 热电势，单位 mV。 10020030040050012345热流 量(Thermal Power)/W热 电势(Thermal Potential) /mVt 为 热 流 量计 的 热 面 温度t ht=th of Heat Power Meter图 2 温差电热流量计的流量-热电势标定曲线 Fig.2 Dependence of thermal power on thermal potential of a thermal power meter 2 测试结果测试结果 作者测试了碲化铅/碲化铋级联温差
16、电单偶的最大热电转换效率。测试结果见表 1。 表 1 PbTe/BiTe 级联温差电单偶最大热电转换效率测试结果 Tab.1 the maximum heat to electricity conversion efficiency test result of PbTe/BiTe unicouple 测试项目 测试数据 热面温度 （） 500.02 冷面温度 （） 55.45 PbTe 108.63 开路电压（mV） BiTe 56.27 PbTe 107.27 闭路电压（mV） BiTe 55.93 PbTe 0.089 电流（A） BiTe 0.045 热电势（mV） 323.16 5PbTe 15.28 内阻（m） BiTe 7.55 PbTe 0.193 输出功率（W） BiTe 0.105 总输出功率（W） 0.298 热流量（W）
