專利名稱:微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng)及方法
技術領域:
本發(fā)明涉及溫差電池性能測試技術,更具體地說,特別涉及一種微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng)及方法。
背景技術:
溫差電池是利用溫差電材料的熱電轉(zhuǎn)換效應(亦稱賽貝克效應),由η型和P型溫差電材料組裝而成的一種利用溫差進行發(fā)電的物理電池。溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率是評價溫差電池性能好壞的重要指標。溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率定義如下η = p。ut/pin (ι)(1)式中η是溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率,Pin為單位時間向溫差電池輸入的熱量, Pout為溫差電池的輸出功率。微型溫差電池的體積小,且溫差帶來的輸入熱量存在損失,造成對于微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試的困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足,提供一種用于測試微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率的測試系統(tǒng)及其方法,能夠?qū)崿F(xiàn)對微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率的精確測定。本發(fā)明的目的通過下述技術方案予以實現(xiàn)微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng),由測試卡具、真空體系和控制及測試電路體系三部分構(gòu)成。待測微型溫差電池放置在測試卡具內(nèi),測試過程處于真空環(huán)境中。該測試系統(tǒng)可通過控制及測試電路體系調(diào)控流經(jīng)加熱塊上的電流,實現(xiàn)測試過程的熱流量控制以及相關測試數(shù)據(jù)的采集,并將測試數(shù)據(jù)實時傳輸至微型計算機,通過微型計算機實現(xiàn)對整個測試過程的控制、測試數(shù)據(jù)的處理以及測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果在計算機顯示器上的實時顯示。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率的精確測定。具體來說如下測試卡具(如附圖1、附圖2所示)包括微型溫差電池支撐架外罩1、微型溫差電池支撐架2、固定滑塊3、旋動螺桿4、加熱塊31、第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35,其中微型溫差電池支撐架外罩1的內(nèi)部形成放置待測微型溫差電池的樣品室;第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6分別位于加熱塊31的兩側(cè),并通過旋緊旋動螺桿4將第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6固定在微型溫差電池支撐架 2和固定滑塊3之間;第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32位于第一微型溫差電池5的冷端,第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33位于第一微型溫差電池5的熱端,第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34位于第二微型溫差電池6的熱端,第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35位于第二微型溫差電池6的冷端;第一微型溫差電池的電流電壓測試線15與第一微型溫差電池的正負極相連,第二微型溫差電池的電流電壓測試線16與第二微型溫差電池的正負極相連;通過控制及測試電路體系調(diào)節(jié)流經(jīng)加熱塊31上的電流使其釋放熱量,在第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6的兩端分別建立起溫差,通過位于這兩個微型溫差電池冷端和熱端的四個測溫熱電偶,分別測得第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池 6的冷熱端溫度;通過與這兩個微型溫差電池正負極相連的電流電壓測試線分別測得第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6的輸出電流和輸出電壓。其中微型溫差電池支撐架的連接端口 7通過密封卡箍與連接管10緊密相連,所述連接管10通過密封卡箍與接外引線三通11緊密相連,所述接外引線三通11通過密封卡箍與外引線接口 12緊密相連;所述密封卡箍中設置有密封膠圈,以實現(xiàn)密封連接。真空體系(如附圖5、附圖6所示)由微型溫差電池支撐架外罩1、壓力表20、接壓力表三通21、熱偶真空計22、接熱偶真空計三通23、真空泵三通M、放氣閥25、接放氣閥三通沈、手動真空閥27、真空泵接口 28、真空泵四、密封蓋30、密封膠圈9和密封卡箍8組成。其特征是,接外接引線三通11通過密封卡箍8與接壓力表三通21相連接,接壓力表三通上的壓力表20用于顯示測試體系內(nèi)部的壓力;接熱偶真空計三通23通過密封卡箍8與接壓力表三通21相連接,其上安裝的熱偶真空計22用于顯示帶真空體系測試卡具內(nèi)部的真空度;接真空泵三通M通過密封卡箍8與接熱偶真空計三通23相連接,其上安裝的手動真空閥27用于調(diào)節(jié)測試體系內(nèi)部的真空度,通過密封卡箍8將手動真空閥27與真空泵接口觀相連,真空泵接口觀通過外接管線與真空泵四連接;接放氣閥三通沈通過密封卡箍 8與接真空泵三通M相連接,其上安裝的放氣閥25用于調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)內(nèi)部的氣體壓力,其另一端通過密封卡箍與密封蓋30相連。啟動真空泵四,打開手動真空閥27后,測試卡具內(nèi)形成真空環(huán)境,測試卡具內(nèi)的真空環(huán)境可以大幅度減少第一微型溫差電池5、第二微型溫差電池6和加熱塊31表面的熱量損失??刂萍皽y試電路體系(如附圖3所示)由接加熱塊導線13、接電池測溫熱電偶導線14、第一微型溫差電池的電流電壓測試線15、第二微型溫差電池的電壓電流測試線16、 數(shù)據(jù)傳輸線17、微型計算機18、控制及數(shù)據(jù)采集裝置36組成。其特征是,樣品室內(nèi)的接加熱塊導線13、第一微型溫差電池的電流電壓測試線15、第二微型溫差電池的電壓電流測試線16、第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34和第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35均通過安裝在接外引線三通11上的外引線接口 12延伸出測試卡具;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過接加熱塊導線13實現(xiàn)對流經(jīng)測試卡具內(nèi)的加熱塊31上的加熱電流大小的控制,從而控制傳入溫差電池的熱流;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過接電池測溫熱電偶導線14與第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35相連,實現(xiàn)對第一微型溫差電池5、第二微型溫差電池6冷熱端溫度的采集;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過第一溫差電池的電壓電流測試線15和第二溫差電池的電壓電流測試線16,采集第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池 6的輸出電壓和輸出電流;控制及數(shù)據(jù)采集裝置16由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口轉(zhuǎn)換器、電源、進行電流控制和信號傳輸及信號處理的電子電路等組成;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過數(shù)據(jù)傳輸線17連接到微型計算機18上;由微型計算機18對控制及數(shù)據(jù)采集裝置36采集到并上傳的數(shù)據(jù)進行處理,并在微型計算機18的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。本發(fā)明提出的測試系統(tǒng)的測試原理是基于kebeck效應,當微型溫差電池兩端存在溫差時,微型溫差電池可對外輸出電能。在一定時間之內(nèi),微型溫差電池對外接負載輸出的功率與傳入微型溫差電池內(nèi)部的熱量之間的比值就是微型溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率,可用下式表示η = Pout/Pin⑴(1)式中Il是溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率,Pin為單位時間向溫差電池輸入的熱量, 因為本發(fā)明的測試系統(tǒng)中采用一個加熱塊31同時為兩個微型溫差電池供熱,故Pin為一定時間內(nèi)加熱塊31向溫差電池輸入熱量的一半,可由一定時間內(nèi)流經(jīng)加熱塊31的電流I’和加熱塊的電阻R計算得到Pin = I’ 2 · R/2 ;Pout為一定時間內(nèi)溫差電池的輸出功率,Pout可由微型溫差電池的輸出電壓V和輸出電流I計算得到P。ut = V ·Ι。依照這一原理,按照附圖4的程序框圖進行數(shù)據(jù)的采集和處理,其中Τ。為微型溫差電池的冷端溫度、Th為微型溫差電池的熱端溫度(兩者之差為微型溫差電池的溫差)乂為第一微型溫差電池的輸出電壓、I1為第一微型溫差電池的輸出電流(兩者的乘積為第一微型溫差電池的輸出功率);V2 為第二微型溫差電池的輸出電壓、I2為第二微型溫差電池的輸出電流(兩者的乘積為第二微型溫差電池的輸出功率);I’為流經(jīng)加熱塊31的電流(利用公式Pin= I’2 *R/2可以計算向溫差電池輸入的熱量)。在利用本發(fā)明的測試系統(tǒng)進行熱電轉(zhuǎn)換效率測試時,可按照下述步驟進行首先,將待測的第一溫差電池5和第二溫差電池6分別放置在加熱塊31兩側(cè)并置于微型溫差電池支撐架2和固定滑塊3之間,旋緊旋動螺桿4使第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6分別與第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35 緊密接觸;將第一微型溫差電池的正負極分別與第一溫差電池的電壓電流測試線15相連, 將第二微型溫差電池的正負極分別與第二溫差電池的電壓電流測試線16相連;將微型溫差電池支撐架外罩1用密封卡箍8及密封膠圈9固定到連接管10上,整個測試系統(tǒng)處于封閉狀態(tài);然后,啟動真空泵四,打開手動真空閥27,并通過壓力表20和熱偶真空計22檢測測試系統(tǒng)內(nèi)部的壓力,至測試系統(tǒng)內(nèi)部壓力達到測試所需真空度時,關閉手動真空閥27以及真空泵四;第三,啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置36,并對控制及數(shù)據(jù)采集裝置36進行校正第四,啟動微型計算機18,輸入計算需要的電阻值,并利用校正后的控制及數(shù)據(jù)采集裝置36采集溫差電池冷端溫度、熱端溫度、微型溫差電池的輸出電壓值、輸出電流值及加熱電阻的電流值,同時利用微型計算機對上述數(shù)據(jù)進行校正和計算,以得到微型溫差電池的溫差、第一微型溫差電池的輸出功率、第二微型溫差電池的輸出功率、向溫差電池輸入的熱量和微型溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率。其中,所述測試需要的真空度可以選擇為10_4 10_3Pa,為避免熱量的散失,可進一步提高真空度值,但需要注意整個測試系統(tǒng)的密封程度。在進行測試時,可采用實時測試和實時顯示方式,繪制微型溫差電池冷熱端溫度-時間曲線、微型溫差電池電壓電流-時間曲線、微型溫差電池功率-電流曲線、微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率。采用本發(fā)明的微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及方法,可以快速準確地測量微型溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率,解決了目前微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率無法測量的問題。
圖1測試卡具結(jié)構(gòu)示意2測試卡具結(jié)構(gòu)局部剖視示意3微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng)各部分之間的電路連接示意4安裝在微型計算機18上的數(shù)據(jù)處理軟件程序框5真空體系與測試卡具的復合結(jié)構(gòu)示意6真空體系與測試卡具的復合結(jié)構(gòu)局部剖視示意圖附圖中,1、微型溫差電池支撐架外罩;2、微型溫差電池支撐架;3、固定滑塊;4、旋動螺桿;5、第一微型溫差電池;6、第二微型溫差電池;7、電池支撐架連接端口 ;8、密封卡箍;9、密封膠圈;10、連接管;11、接外引線三通;12、外引線接口 ;13、接加熱塊導線;14、接試樣測溫熱電偶導線;15、第一微型溫差電池的電壓電流測試線;16、第二微型溫差電池的電壓電流測試線;17、數(shù)據(jù)傳輸線;18、微型計算機;19、固定螺釘;20、壓力表;21、接壓力表三通;22、熱偶真空計;23、接熱偶真空計三通;24、接真空泵三通;25、放氣閥;26、接放氣閥三通;27、手動真空閥;28、真空泵接口 ;29、真空泵;30、三通密封蓋;31、加熱塊;32、第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶;33、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶;34、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶;35、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶;36、控制及數(shù)據(jù)采集裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明附圖1和2為測試卡具外觀結(jié)構(gòu)示意圖和部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視示意圖。測試卡具包括微型溫差電池支撐架外罩1、微型溫差電池支撐架2、固定滑塊3、旋動螺桿4、加熱塊31、 第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35,其中微型溫差電池支撐架外罩1的內(nèi)部形成放置待測微型溫差電池的樣品室;第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6分別位于加熱塊31的兩側(cè),并通過旋緊旋動螺桿4將第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6固定在微型溫差電池支撐架2和固定滑塊3之間;第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32位于第一微型溫差電池5的冷端,第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33位于第一微型溫差電池5的熱端,第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34位于第二微型溫差電池6的熱端,第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35位于第二微型溫差電池6的冷端;第一微型溫差電池的電流電壓測試線15與第一微型溫差電池的正負極相連,第二微型溫差電池的電流電壓測試線16與第二微型溫差電池的正負極相連;通過控制及測試電路體系調(diào)節(jié)流經(jīng)加熱塊31上的電流使其釋放熱量,在第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6的兩端分別建立起溫差,通過位于這兩個微型溫差電池冷端和熱端的四個測溫熱電偶,分別測得第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6的冷熱端溫度;通過與這兩個微型溫差電池正負極相連的電流電壓測試線分別測得第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6的輸出電流和輸出電壓。其中微型溫差電池支撐架的連接端口 7通過密封卡箍與連接管10緊密相連,所述連接管10通過密封卡箍與接外引線三通11緊密相連,所述接外引線三通11通過密封卡箍與外引線接口 12緊密相連;所述密封卡箍中設置有密封膠圈,以實現(xiàn)密封連接??刂萍皽y試電路體系(如附圖3所示)由接加熱塊導線13、接電池測溫熱電偶導線14、第一微型溫差電池的電流電壓測試線15、第二微型溫差電池的電壓電流測試線16、 數(shù)據(jù)傳輸線17、微型計算機18、控制及數(shù)據(jù)采集裝置36組成。其特征是,樣品室內(nèi)的接加熱塊導線13、第一微型溫差電池的電流電壓測試線15、第二微型溫差電池的電壓電流測試線16、第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34和第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35均通過安裝在接外引線三通11上的外引線接口 12延伸出測試卡具;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過接加熱塊導線13實現(xiàn)對流經(jīng)測試卡具內(nèi)的加熱塊31上的加熱電流大小的控制,從而控制傳入溫差電池的熱流;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過接電池測溫熱電偶導線14與第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35相連,實現(xiàn)對第一微型溫差電池5、第二微型溫差電池6冷熱端溫度的采集;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過第一溫差電池的電壓電流測試線15和第二溫差電池的電壓電流測試線16,采集第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池 6的輸出電壓和輸出電流;控制及數(shù)據(jù)采集裝置16由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口轉(zhuǎn)換器、電源、進行電流控制和信號傳輸及信號處理的電子電路等組成;控制及數(shù)據(jù)采集裝置36通過數(shù)據(jù)傳輸線17連接到微型計算機18上;由微型計算機18對控制及數(shù)據(jù)采集裝置36采集到并上傳的數(shù)據(jù)進行處理,并在微型計算機18的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。真空體系(如附圖5、附圖6所示)由微型溫差電池支撐架外罩1、壓力表20、接壓力表三通21、熱偶真空計22、接熱偶真空計三通23、真空泵三通M、放氣閥25、接放氣閥三通沈、手動真空閥27、真空泵接口觀、真空泵四、密封蓋30、密封膠圈9和密封卡箍8組成。 其特征是,接外接引線三通11通過密封卡箍8與接壓力表三通21相連接,接壓力表三通上的壓力表20用于顯示測試體系內(nèi)部的壓力;接熱偶真空計三通23通過密封卡箍8與接壓力表三通21相連接,其上安裝的熱偶真空計22用于顯示帶真空體系測試卡具內(nèi)部的真空度;接真空泵三通M通過密封卡箍8與接熱偶真空計三通23相連接,其上安裝的手動真空閥27用于調(diào)節(jié)測試體系內(nèi)部的真空度,通過密封卡箍8將手動真空閥27與真空泵接口觀相連,真空泵接口觀通過外接管線與真空泵四連接;接放氣閥三通沈通過密封卡箍8與接真空泵三通M相連接,其上安裝的放氣閥25用于調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)內(nèi)部的氣體壓力。啟動真空泵四,打開手動真空閥27后,測試卡具內(nèi)形成真空環(huán)境,測試卡具內(nèi)的真空環(huán)境可以大幅度減少微型溫差電池一 5、微型溫差電池二 6和加熱塊31表面的熱量損失。在進行測試時,首先,將待測的第一溫差電池5和第二溫差電池6分別放置在加熱塊31兩側(cè)并置于微型溫差電池支撐架2和固定滑塊3之間,旋緊旋動螺桿4使第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池6分別與第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶32、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶33、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶34、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶35緊密接觸;將第一微型溫差電池的正負極分別與第一溫差電池的電壓電流測試線15相連,將第二微型溫差電池的正負極分別與第二溫差電池的電壓電流測試線16 相連;將微型溫差電池支撐架外罩1用密封卡箍8及密封膠圈9固定到連接管10上,整個測試系統(tǒng)處于封閉狀態(tài);
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然后,啟動真空泵四,打開手動真空閥27,并通過壓力表20和熱偶真空計22檢測測試系統(tǒng)內(nèi)部的壓力,至測試系統(tǒng)內(nèi)部壓力達到測試所需真空度時,關閉手動真空閥27以及真空泵四,使整個系統(tǒng)維持在10_4Pa(為避免熱量的散失,可進一步提高真空度值,但需要注意整個測試系統(tǒng)的密封程度);第三,啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置36,并對控制及數(shù)據(jù)采集裝置36進行校正第四,啟動微型計算機18,輸入計算需要的電阻值,并利用校正后的控制及數(shù)據(jù)采集裝置36采集溫差電池冷端溫度、熱端溫度、微型溫差電池的輸出電壓值、輸出電流值及加熱電阻的電流值,同時利用微型計算機對上述數(shù)據(jù)進行校正和計算,以得到微型溫差電池的溫差、第一微型溫差電池的輸出功率、第二微型溫差電池的輸出功率、向溫差電池輸入的熱量和微型溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率。采用實時測試和實時顯示方式,繪制微型溫差電池冷熱端溫度-時間曲線、微型溫差電池電壓電流-時間曲線、微型溫差電池功率-電流曲線、微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率。具體來說,打開微型計算機18上溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試軟件,點擊 “kttings”,選擇與實際電路相應的通訊端口、兩個電池各自的冷熱端通道、電壓電流通道,鍵入控制電路的相應電阻值。點擊“Heating Power”輸入加熱功率值。打開控制電路, 將控制及數(shù)據(jù)采集裝置36的電阻功率測試開關撥到電阻測試“R”檔,點擊“New Test”,勾選“AutoGet”則開始采集電池冷端溫度、熱端溫度、溫差電池的輸出電壓值、輸出電流值,并計算出溫差;利用采集到的溫度和電壓電流值,調(diào)節(jié)控制電路的相關參數(shù),進行電路校正, 完成測試前的準備;一切就緒后,將控制及數(shù)據(jù)采集裝置36中的電阻功率測試開關撥到功率測試“P”檔,點擊“Start”開始測試,此時計算機顯示器開始實時顯示電池的各項性能參數(shù),并繪制溫差電池冷熱端溫度-時間曲線、溫差電池電壓電流-時間曲線、溫差電池功率-電流曲線、微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率;測試完成后,點擊“Stop”以停止數(shù)據(jù)采集,保存數(shù)據(jù),退出測試界面。利用上述測試系統(tǒng)和步驟,分別對下述微型溫差電池進行效率測試ο測試第一溫差電池和第二溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率,用于制備上述微型溫差電池的薄膜熱電材料n型薄膜熱電材料為Bi2Te2.7Se0.3,ρ型薄膜熱電材料為Bia 5SbL 5Te3。進行測試后,計算機顯示器顯示的測試結(jié)果如下室溫、IOK溫差條件下,微型溫差電池1的最大輸出功率為22. 1 μ W,對應電流為142 μ Α,對應輸出電壓為156mV,熱電轉(zhuǎn)換效率為0. 87%。 室溫、IOK溫差條件下,微型溫差電池2的最大輸出功率為^.OyW,對應電流為147 μ A,對應輸出電壓為177mV,熱電轉(zhuǎn)換效率為0.92%。測試第一溫差電池和第二溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率,用于制備上述微型溫差電池的薄膜熱電材料n型薄膜熱電材料為Bi2Te53,ρ型薄膜熱電材料為Sb2Te^進行測試后,計算機顯示器顯示的測試結(jié)果如下室溫、IOK溫差條件下,微型溫差電池1的最大輸出功率為22. 1 μ W,對應電流為142 μ Α,對應輸出電壓為156mV,熱電轉(zhuǎn)換效率為0. 74%。室溫、IOK 溫差條件下,微型溫差電池2的最大輸出功率為26. Oyff,對應電流為147 μ Α,對應輸出電壓為177mV,熱電轉(zhuǎn)換效率為0. 72%。以上對本發(fā)明做了示例性的描述,應該說明的是,在不脫離本發(fā)明的核心的情況下,任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng),其特征在于,由測試卡具、真空體系和控制及測試電路體系三部分構(gòu)成;待測微型溫差電池放置在測試卡具內(nèi),測試過程處于真空環(huán)境中;該測試系統(tǒng)通過控制及測試電路體系調(diào)控流經(jīng)加熱塊上的電流,實現(xiàn)測試過程的熱流量控制以及相關測試數(shù)據(jù)的采集,并將測試數(shù)據(jù)實時傳輸至微型計算機,通過微型計算機實現(xiàn)對整個測試過程的控制、測試數(shù)據(jù)的處理以及測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果在計算機顯示器上的實時顯示,可以實現(xiàn)對微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率的精確測定。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng),其特征在于,所述測試系統(tǒng)的測試卡具包括微型溫差電池支撐架外罩(1)、微型溫差電池支撐架O)、固定滑塊C3)、旋動螺桿(4)、加熱塊(31)、第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶(3 、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶(33)、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶(34)、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶(35),其中微型溫差電池支撐架外罩(1)的內(nèi)部形成放置待測微型溫差電池的樣品室;第一微型溫差電池( 和第二微型溫差電池(6)分別位于加熱塊(31)的兩側(cè),并通過旋緊旋動螺桿(4)將第一微型溫差電池( 和第二微型溫差電池(6)固定在微型溫差電池支撐架( 和固定滑塊( 之間;第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶(3 位于第一微型溫差電池( 的冷端,第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶(3 位于第一微型溫差電池(5)的熱端,第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶(34)位于第二微型溫差電池(6)的熱端,第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶(3 位于第二微型溫差電池(6)的冷端;第一微型溫差電池的電流電壓測試線(1 與第一微型溫差電池的正負極相連,第二微型溫差電池的電流電壓測試線(16)與第二微型溫差電池的正負極相連;通過控制及測試電路體系調(diào)節(jié)流經(jīng)加熱塊(31)上的電流使其釋放熱量,在第一微型溫差電池( 和第二微型溫差電池 (6)的兩端分別建立起溫差,通過位于微型溫差電池冷端和熱端的測溫熱電偶,分別測得第一微型溫差電池( 和第二微型溫差電池(6)的冷熱端溫度;通過與微型溫差電池正負極相連的電流電壓測試線分別測得第一微型溫差電池( 和第二微型溫差電池(6)的輸出電流和輸出電壓。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng),其特征在于,其中微型溫差電池支撐架的連接端口(7)通過密封卡箍與連接管(10)緊密相連,所述連接管 (10)通過密封卡箍與接外引線三通(11)緊密相連,所述接外引線三通(11)通過密封卡箍與外引線接口(1 緊密相連;所述密封卡箍中設置有密封膠圈,以實現(xiàn)密封連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng),其特征在于,所述測試系統(tǒng)的真空體系由微型溫差電池支撐架外罩(1)、壓力表(20)、接壓力表三通(21)、 熱偶真空計(22)、接熱偶真空計三通(23)、真空泵三通(M)、放氣閥(25)、接放氣閥三通 ( )、手動真空閥(27)、真空泵接口(觀)、真空泵(四)、密封蓋(30)、密封膠圈(9)和密封卡箍⑶組成。其特征是,接外接引線三通(11)通過密封卡箍⑶與接壓力表三通相連接,接壓力表三通上的壓力表00)用于顯示測試體系內(nèi)部的壓力;接熱偶真空計三通 (23)通過密封卡箍(8)與接壓力表三通相連接,其上安裝的熱偶真空計02)用于顯示帶真空體系測試卡具內(nèi)部的真空度;接真空泵三通04)通過密封卡箍(8)與接熱偶真空計三通03)相連接,其上安裝的手動真空閥(XT)用于調(diào)節(jié)測試體系內(nèi)部的真空度,通過密封卡箍(8)將手動真空閥(XT)與真空泵接口 08)相連,真空泵接口 08)通過外接管線與真空泵09)連接;接放氣閥三通06)通過密封卡箍(8)與接真空泵三通(24)相連接,其上安裝的放氣閥05)用于調(diào)節(jié)測試系統(tǒng)內(nèi)部的氣體壓力,其另一端通過密封卡箍與密封蓋(30)相連。啟動真空泵( ),打開手動真空閥(XT)后,測試卡具內(nèi)形成真空環(huán)境,測試卡具內(nèi)的真空環(huán)境可以大幅度減少第一微型溫差電池(5)、第二微型溫差電池(6)和加熱塊(31)表面的熱量損失。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng),其特征在于,所述測試系統(tǒng)的控制及測試電路體系由接加熱塊導線(13)、接電池測溫熱電偶導線(14)、第一微型溫差電池的電流電壓測試線(15)、第二微型溫差電池的電壓電流測試線(16)、數(shù)據(jù)傳輸線(17)、微型計算機(18)、控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)組成。其特征是,樣品室內(nèi)的接加熱塊導線(13)、第一微型溫差電池的電流電壓測試線(15)、第二微型溫差電池的電壓電流測試線(16)、第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶(32)、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶 (33)、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶(34)和第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶(35) 通過安裝在接外引線三通(11)上的外引線接口(12)延伸出測試卡具;控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)通過接加熱塊導線(1 實現(xiàn)對流經(jīng)測試卡具內(nèi)的加熱塊(31)上的加熱電流大小的控制,從而控制傳入溫差電池的熱流;控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)通過接電池測溫熱電偶導線(14)與第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶(32)、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶 (33)、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶(34)、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶(35)相連,實現(xiàn)對第一微型溫差電池(5)、第二微型溫差電池(6)冷熱端溫度的采集;控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)通過第一溫差電池的電壓電流測試線(1 和第二溫差電池的電壓電流測試線(16),采集第一微型溫差電池(5)和第二微型溫差電池(6)的輸出電壓和輸出電流;控制及數(shù)據(jù)采集裝置(16)由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機、串口轉(zhuǎn)換器、電源、進行電流控制和信號傳輸及信號處理的電子電路等組成;控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)通過數(shù)據(jù)傳輸線(17)連接到微型計算機(18)上;由微型計算機(18)對控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)采集到并上傳的數(shù)據(jù)進行處理,并在微型計算機(18)的顯示器上實時顯示數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
6.一種利用如權利要求1所述的微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試系統(tǒng)進行測試的方法,其特征在于,按照下述步驟進行首先,將待測的第一溫差電池( 和第二溫差電池(6)分別放置在加熱塊(31)兩側(cè)并置于微型溫差電池支撐架( 和固定滑塊C3)之間,旋緊旋動螺桿(4)使第一微型溫差電池5和第二微型溫差電池(6分別與第一微型溫差電池冷端測溫熱電偶(32)、第一微型溫差電池熱端測溫熱電偶(33)、第二微型溫差電池熱端測溫熱電偶(34)、第二微型溫差電池冷端測溫熱電偶(3 緊密接觸;將第一微型溫差電池的正負極分別與第一溫差電池的電壓電流測試線(15)相連,將第二微型溫差電池的正負極分別與第二溫差電池的電壓電流測試線(16)相連;將微型溫差電池支撐架外罩(1)用密封卡箍(8及密封膠圈(9)固定到連接管(10)上,整個測試系統(tǒng)處于封閉狀態(tài);然后,啟動真空泵( ),打開手動真空閥(27),并通過壓力表00)和熱偶真空計02) 檢測測試系統(tǒng)內(nèi)部的壓力,至測試系統(tǒng)內(nèi)部壓力達到測試所需真空度時,關閉手動真空閥 (27)以及真空泵(29);第三,啟動控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36),并對控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)進行校正第四,啟動微型計算機(18),輸入計算需要的電阻值,并利用校正后的控制及數(shù)據(jù)采集裝置(36)采集溫差電池冷端溫度、熱端溫度、微型溫差電池的輸出電壓值、輸出電流值及加熱電阻的電流值,同時利用微型計算機對上述數(shù)據(jù)進行校正和計算,以得到微型溫差電池的溫差、第一微型溫差電池的輸出功率、第二微型溫差電池的輸出功率、向溫差電池輸入的熱量和微型溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率。
7.根據(jù)權利要求6所述的微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試方法,其特征在于,所述測試需要的真空度可以選擇為10_4 10_3Pa,為避免熱量的散失,可進一步提高真空度值,但需要注意整個測試系統(tǒng)的密封程度。
8.根據(jù)權利要求6所述的微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率測試方法,其特征在于,在進行測試時,可采用實時測試和實時顯示方式,繪制微型溫差電池冷熱端溫度-時間曲線、微型溫差電池電壓電流-時間曲線、微型溫差電池功率-電流曲線、微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測試微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率的測試系統(tǒng)及其方法,由測試卡具、真空體系和控制及測試電路體系三部分構(gòu)成。待測微型溫差電池放置在測試卡具內(nèi),測試過程處于真空環(huán)境中。該測試系統(tǒng)可通過控制及測試電路體系調(diào)控流經(jīng)加熱塊上的電流,實現(xiàn)測試過程的熱流量控制以及相關測試數(shù)據(jù)的采集,并將測試數(shù)據(jù)實時傳輸至微型計算機,通過微型計算機實現(xiàn)對整個測試過程的控制、測試數(shù)據(jù)的處理以及測試數(shù)據(jù)和計算結(jié)果在計算機顯示器上的實時顯示。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對微型溫差電池熱電轉(zhuǎn)換效率的精確測定。
文檔編號G01R31/36GK102540099SQ201210024829
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月6日 優(yōu)先權日2012年2月6日
發(fā)明者冀宇, 王為 申請人:天津大學