热电材料ZT值的测量研究_张洪银.pdf

年第期热电材料 值的测量研究张洪银，莫政宇（水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川大学水利水电学院，成都 ）摘要：热电材料能直接将热能和电能相互转化，与传统的热机相比，热电材料具有无运动部件、无噪音、体积小等优点，因此在余热回收等领域具有利用潜力，然而受限于热电材料的现阶段的性能，大部分研究并未得到实际的应用，为提高热电材料的性能，精确测量材料的性能参数 值具有重要意义。本研究推导出了一种简单的 值的测量方法，将 值的测量转化为热流的测量，即仅需要测量最大和最小两种情况下热电材料冷端表面的热流，便可计算出出 值。本文搭建了测试平台，并利用此方法对某热电模块的 值进行了测量。关键词：热电材料；值；测量方法中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：张洪银（），男，四川达州，汉族，硕士研究生，研究方向为热电转换。前言热电效应是指温差和电势差相互直接转换的效应，主要包括温差直接转化为电流的塞贝克效应以及逆效应帕尔贴效应，热电材料能通过热电效应，实现温差和电势差之间的直接转换。相较于传统的热能和电能之间的转换方式，利用热电材料具有无运动部件、无噪音、体积小和使用寿命长等优点，因此在余热回收、偏远地区等特殊场景的供电中有潜在的优势。然而受限于现阶段热电材料的性能，热电转化还不具备能替代传统热机的条件，热电效应的应用研究大多处于研究阶段。值是一个衡量材料性能的重要参数：（）其中，为材料的导电率，为材料的导热率，为热电材料所处的温度。值直接决定了热电材料的最大转化效率，只有当 值超过，热电材料才具有替代传统热机的能力，为了提高热电材料的 值，对热电材料 值的准确测量具有重要意义。值的测量可以使用直接测量和间接测量的方式，通过直接测量导电率和导热率，以此计算出 值，该方法在较大的温度范围内（）均有效，但是测量方法太过复杂，需要测量多个不同的参数，且在计算过程中误差会不断积累。与直接测量方法相比，方法是一种更简单的方法，其原理是在冷热端热流恒定的 情 况 下，值 为 开 路 电 压 和 短 路 电 压 比 值 减，即：（）对于内阻较小的热电材料，短路会 损 坏 材 料，因 此 对上述方法做出了修正，将短路电压替换为某一负载电阻下的电压，同时使用修正后的温度，以测得 值。但是该方法仍然是基于 方法的测量方式，需要满足严苛的热流恒定的条件，且忽略了冷热端之间的辐射换热。针对热电材料 值测量方法的现状，本研究推导出了一种更为简单的 值测量方法，该方法不需要满足热流恒定的条件，仅需要在在保证冷热端温度恒定的状态下，测量开路和短路状态下热端表面的热流，即可测得 值。同时搭建了测试平台，利用该方法和测试平台，测试了某热电模块的 值。测量原理 值是衡量热电材料性能的参数，热电材料的最大转化效率和输出功率都与 值密切相关。值越大，热电材料的性能约优异。本研究提出了一种从冷热端热DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.021内燃机与配件 流的变化角度出发的测量方式。热电模块的冷热端热流由热电模块导热、帕尔贴效应引起的热量变化和热电模块内阻放热三部分组成，即：（）（）（）（）在某一温差下，当负载电阻发生变化时，电流也会改变，进而导致冷端热流变化。当电流为（开路）时，冷端热流最小，为：（）（）负载电阻为时，电流最大，为：（）此时冷端热流同样达到最大，为：（）（）冷端热流最大值与最小值之差为：（）（）进一步 整 理，并 在 等 式 右 侧 分 子 分 母 同 时 乘 以可得：（）其中为冷热端的平均温度，与导热系数的关系和与导电率的关系为：（）（）将式、的表达式（）、（）、（）带入上式并简化可得：（）即：（）因此，在保证冷热端温度恒定的状态下，通过短接得到最大的冷端热流、通过开路得到最大冷端热流，便可求得 值。测试平台搭建为测量热电模块 值，以及校验冷热端温度是否恒定、短路状态是否安全，本研究搭建了以下测试平台。被测试的热电材料使用商业化的热点模块，热电模块被置于热端加热器和冷端热沉之间，热端加热器通过调节电加热功率调节温度，以此实现冷热端温度恒定，冷端热沉通过足够大的流量，以保证能全部带走增加的热量，实现冷端温度恒定。热电模块的输出接入到电子负载，电子负载可以改变接入的电阻，并记录电流和电压值。装置在冷端换热器的冷却水出入口、热端布置有热电偶；由于冷却水的流量在实验过程中不变，且流量较小，不适合用流量计测量，因此在开始实验前，通过称重法测量冷却水的质量流量。图测试平台示意图测试结果 热电模块内阻校验由于本方法需要在开路和短接状态测量热电模块，因此需要预先测量热电模块的内阻，以保证短接时电路的安全，本研究通过电路的特性曲线测量电源内阻，即当保持冷热端间温度恒定，并改变负载电阻时，记录电流电压值，可以得出该温差下电路的特性。理论上通过负载的电流和电压的关系为：（）其中，为热电模块的内阻，在特性直线中体现为斜率的绝对值。为热电模块的开路电压，体现为当特性直线的电压轴截距。因此可以通过特性计算出热电模块的内阻和开路电压。由 于 本 研 究 将 分 别 在 、四组温度下进行实验测量 值，因此需要测量这四组温差下热电模块的内阻。在这四组实验温差下，获得了热电模块的特性如图所示，实验获得的特性满足理论关系式的形式，为一条直线。图热电模块特性通过拟合特性直线，测量了内阻和短路时内阻的功率，测量结果如表所示。热电模块的内阻约为，同时，短路功率基本维持在 以内，当 在 最 大 的 电 压（）时，短路的功率也不超过，属于安全的范围。表内阻和短路功率温差（）开路电压（）内阻 （）短路功率（）因此，在四组温差下，短路状态不会造成危害，可以进行后续实验步骤。实验装置温差恒定性校验本研究推导的 值测量方法无需满足较为复杂的恒定热流，而是需要满足温度恒定，因此，需要在每个实验 年第期温差下，对测试平台的冷热端温度是否恒定做校验。本研究分别在 、这四组温差下，通过改变电压改变了电路电流的值，在开路（电流为）到短路（电流最大）的范围内，冷热端温度随电流的变化分别如图和图所示。图冷端温度随电流的变化图热端温度随电流的变化由图、图可知，在、四组实验温差下，随电流的增加，冷热端温度都存在升高的趋势，从开路（电流为）到短接（电流最大）的过程中，冷端平均温度分 别 升 高、，涨 幅 分 别 为、；热端温度分别变化了、，增长率分别为、。因此，可以看出，虽然几个实验温差下冷热端端温度各不相同，且随着电流的增加，冷热端温度也存在些许增加，但变冷端化范围不会超过，热端温度变化范围不会超过，冷热温度保持得比较恒定。本研究的后续测量较好地满足冷热端温差恒定的状态。值测量结果在确保了冷热端温度恒定、短路状态安全的前提下，本研究对某商业化的热电模块的 值进行了测试。实验中将冷端热沉的换热功率作为热电模块冷端表面的热流，热沉的换热功率由比热容、质量流量相乘得出，在四组温差下，分别测量短路状态和开路状态的热沉换热功率，以作为冷端热沉表面的最大和最小热流，再由式（）计算出 值，测得的 值如表所示：表 值测量结果（）（）（）值 通过本方法可以简单测得某一温差下热电模块的 值，但是也会不可避免地存在一些系统误差，当冷端热流变化时，冷端热沉并不能完全带走变化的热量，因此会存在冷端热沉的换热功率与热电模块冷端表面热流的偏差，造成 和 测量不准确，进而影响 值测量结果；在电流变化的过程中，冷热端温度也会有轻微的变化，冷热端温度不能保证理想的恒定；同时，热阻的存在会导致冷却水的温度与热电材料表面温度的不相等，这会降低 和 ，影响测量结果。因此，为了更精确地使用本方法，应采用换热性能更好的热沉，以便更精确地测量 和 ，并保证冷热端温度恒定，同时，通过采用较大的压紧力使热沉表面和热电材料表面更贴合、使用导热硅脂等降低两表面之间的热阻，降低系统误差。结论本研究搭建了热电模块的性能参数测量平台，并从理论上推导了一种新的 值的测量方法，这种 值的测量方法仅仅需要测量最大和最小两个工况下热电材料冷端表面的热流 和 即可简单计算出 值，与直接测量的方法相比，该方法需要测量的参数较少，且热流便于测量。结合测试平台，对热电模块性的 值进行了测试，但本方法同样也会存在系统误差，这主要是由于热阻等原因，热电模块表面温度与热电材料表面温度有偏差，进而导致的热流测量不准确，因此在测量时，可以使用较大的压力和导热硅脂等方式降两表面间的热阻。参考文献：徐桂英，葛昌纯热电材料的研究和发展方向材料导报，（）：李洪涛，朱志秀，吴益文，等热电材料的应用和研究进展材料导报，（）：，（，），：；（）：，（），（，），