热电转换效率测量系统-PEM

热电转换效率测量系统-PEM

日本Advance Riko公司推出的热电转换效率测量系统PEM被设计用来测定热电转换效率η。通过对热电材料模块提供最大温差500℃,可得到一维热流量Q和最大发电功率P,从而测定热电转换效率η。该设备可应用于:

+  用于测量热电材料的热电转换效率; 

+  通过热循环实验测试模块的预期寿命。



产品特点

+  通过高精度的红外线金面反射炉可完成快速性能评估和耐力测试;

+  上下表面能提供最高500℃的温度梯度;

+  可进行热穿透测量;

+  加热过程中,通过气缸机制可以保持接触表面的热阻稳定;

+  完成测试仅需设置软件,包括温度稳定性的判断、自动调节热电发电模块的负载以及自动控制温度测量。


PEM基本参数


测量数值:热电转换效率,发电量,热流量

测试方法:一维热流输入法 

模块大小:方形20mm或30mm或40mm*5-30mmT

加热表面温度:MAX.800℃   

接触表面压力:2MPa(在方形30mm样品) 

气氛:惰性气体


PEM设备软件


 




PEM设备概念图



PEM设备结构图

  

上部加热炉


下部水冷系统

 


■  p型SnSe晶体室温附近的电传输性能研究


近日,北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授团队与南方科技大学、清华大学及武汉理工大学的科研团队合作,通过掺杂Pb,显著提高了p型SnSe晶体室温附近的电传输性能。该工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》为题目发表在《Science》上。

以往研究中,多选用窄带隙或半金属材料作为热电制冷材料,赵立东教授课题组则主要开发宽带隙热电材料,利用各向异性调和电输运与热输运的矛盾。该研究通过在动量空间和能量空间同时作用的多价带协同传输策略,实现了p型SnSe晶体热电性能的显著提升;并制备了基于SnSe晶体材料的热电器件,测试其温差发电性能(最大发电量及功率),还实现了大温差的电子制冷。这一研究表明SnSe基晶体材料在温差发电和电子制冷方面有巨大潜力,使用p型SnSe晶体制备的器件,其制冷性能达到了使用传统BiTe基材料商用器件的70%(210K温差下),但SnSe基热电材料具有成本低、重量轻且储量更加丰富等优势,具备十分巨大的应用价值。

图1. 使用PEM-2测得的温差发电器件性能:电压(A)和输出功率(B)


以上工作中,材料的电导率、塞贝克系数使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3测得,热电转换器件(TEG)的发电量、输出功率及热电转换效率使用日本Advance Riko公司生产的热电转换效率测量系统PEM-2测得。

图2. 使用PEM-2测得的温差发电器件的转换效率





■  热界面材料的性能评价

 

为了防止能量的浪费,利用热电转换模块将一部分的热能转换为电能从而存储起来是目前的常见做法。热电转换模块是利用了热电转换材料的塞贝克效应实现热能到电能的转化的。目前已商用的热电转换模块多采用图1所示的结构,为了提高热电转换的效率,经常在所示位置使用热界面材料(Thermal Interface Materials)以降低接触面之间的热阻。

图1 常见的热电转换模块(TE module)

 

理想的热界面材料一般应具有高导热性、高柔韧性及绝缘性等特性,常见的热界面材料有硅脂、硅胶、相变化材料(聚烯烃树脂、丙烯酸树脂、碳纳米管等)。为了检验不同材料及结构的热界面材料对热电转换效率的影响,制备了以下四种热界面材料(见图2):a. 单面碳纳米管、b. 双面碳纳米管、c. 无碳纳米管和d. 无热界面材料。

图2 四种结构的热界面材料


使用商用的热电转换模块(Marlow Industries RC3-6-01S)分别与上述四种热界面材料耦合后测量热电转换效率。热电效率的测量采用日本ADVANCERIKO公司生产的热电转换效率测量系统PEM-2,该设备的样品模块见图3.

图3 PEM-2的样品模块


热电转换效率的测量结果见图4,与不使用任何热界面材料相比,单面的碳纳米管热界面材料可以提高35%的热电转换效率而双面的碳纳米管热界面材料可以提高60%的热电转换效率;与仅使用Cu箔作为热界面材料相比,单面和双面的碳纳米管热界面材料可以分别提高10%和25%的热电转换效率。

图4 使用不同热界面材料的热电转换效率测量结果

 

参考文献:

[1] Kimberly R. Saviers, Stephen L. Hodson, and Timothy S. Fisher. JOURNAL OF THERMOPHYSICS AND HEAT TRANSFER.




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30mm2样品测试结果



1. H. Nakatsugawa et al. /  Journal of Elec Materi 49, 2802–2812 (2020) 

2. X. Tang et al. / Energy Environ. Sci., 2018,11, 1520-1535 

3. J. He et al. / Energy Environ. Sci., 2020,13, 2106-2114 

4. L. Chen et al. / Nat Commun 6, 8144 (2015)

中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院大连化学物理研究所

中国科学院福建物质结构研究所

武汉理工大学

南方科技大学

深圳大学

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高性能热电材料/器件性能测量与表征系列