ICS27.010團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CSMT-NY002—2024溫差發(fā)電器件性能測(cè)試方法Testingmethodforperformanceofthermoelectricgeneratordevice2024-12-10發(fā)布2025-01-10實(shí)施中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社發(fā)布ⅠT/CSMT-NY002—2024前言 引言 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4測(cè)試原理 5測(cè)試設(shè)備和儀器 45.1測(cè)試設(shè)備 45.2測(cè)試儀器 46測(cè)試條件 7測(cè)試試樣 7.1試樣規(guī)格 8測(cè)試程序 8.1測(cè)試前準(zhǔn)備 8.2測(cè)試步驟 9測(cè)試數(shù)據(jù)處理 9.1輸出功率 9.2熱側(cè)吸熱量 9.3發(fā)電效率 9.4線性回歸曲線 9.5最大輸出功率 10測(cè)試報(bào)告 附錄A（資料性）溫差發(fā)電器件發(fā)電性能測(cè)試報(bào)告 ⅢT/CSMT-NY002—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專(zhuān)利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專(zhuān)利的責(zé)任。本文件由中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)提出并歸口。本文件起草單位：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所、上海第二工業(yè)大學(xué)、杭州大和熱磁電子有限公司。ⅣT/CSMT-NY002—2024引言基于澤貝克（Seebeck）效應(yīng)的溫差發(fā)電（ThermoelectricGenerator）是一種將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的環(huán)境友好型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有全固態(tài)、工作無(wú)噪聲、無(wú)排放等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于航天特種電源、工業(yè)節(jié)能減排、太陽(yáng)能綜合利用、分布式自供給電源等領(lǐng)域。近年來(lái)，我國(guó)溫差發(fā)電材料和器件技術(shù)發(fā)展迅速，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，部分領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先，溫差發(fā)電器件先后在我國(guó)同位素溫差電池、汽車(chē)尾氣廢熱回收、鋼鐵等工業(yè)低品位余熱發(fā)電、太陽(yáng)能光電-熱電復(fù)合發(fā)電等領(lǐng)域獲得示范和應(yīng)用。隨著我國(guó)航天、國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域的深入發(fā)展和對(duì)新型電源技術(shù)的迫切需求，溫差發(fā)電器件正處于加速發(fā)展期。但是，對(duì)溫差發(fā)電器件的測(cè)量尚未形成標(biāo)準(zhǔn)，很難對(duì)現(xiàn)有的材料和器件作出統(tǒng)一的評(píng)價(jià)，不同國(guó)家、不同機(jī)構(gòu)（包括學(xué)術(shù)界和工業(yè)界）報(bào)道的材料和器件的性能已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重分歧。由于缺乏相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)威的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，這些分歧無(wú)法進(jìn)行檢驗(yàn)或驗(yàn)證，這嚴(yán)重阻礙了溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。無(wú)論在科研領(lǐng)域，還是在應(yīng)用領(lǐng)域，溫差發(fā)電器件的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化都是一項(xiàng)非常有意義并亟需完善的工作。中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)組織本文件的起草，為溫差發(fā)電器件性能評(píng)價(jià)提供依據(jù)。1T/CSMT-NY002—2024溫差發(fā)電器件性能測(cè)試方法本文件界定了溫差發(fā)電器件性能測(cè)試的術(shù)語(yǔ)和定義，規(guī)定了測(cè)試原理、測(cè)試設(shè)備和儀器、測(cè)試條件、測(cè)試試樣、測(cè)試程序、數(shù)據(jù)處理和測(cè)試報(bào)告等。本文件適用于溫差發(fā)電器件熱側(cè)溫度為20℃~1000℃、冷側(cè)溫度為0℃~300℃工況下的性能測(cè)試，其他工況測(cè)試可參照?qǐng)?zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。SJ2855溫差電致冷名詞術(shù)語(yǔ)3術(shù)語(yǔ)和定義SJ2855界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。溫差發(fā)電器件thermoelectricgeneratordevice熱側(cè)溫度hotsidetemperatureTh溫差發(fā)電器件熱側(cè)表面的平均溫度。冷側(cè)溫度coldsidetemperatureTc溫差發(fā)電器件冷側(cè)表面的平均溫度。開(kāi)路電壓opencircuitvoltageVoc溫差發(fā)電器件沒(méi)有負(fù)載，無(wú)電流輸出時(shí)輸出端的電位差。溫差發(fā)電器件連接負(fù)載時(shí)輸出端的電位差。2T/CSMT-NY002—2024輸出電流outputcurrentIout溫差發(fā)電器件連接負(fù)載時(shí)回路中產(chǎn)生的電流。短路電流shortcircuitcurrentIsc溫差發(fā)電器件的輸出端短接時(shí)產(chǎn)生的最大的電流。負(fù)載loadRL連接在溫差發(fā)電器件電輸出端的外部載荷。注：?jiǎn)挝粸闅W姆(Ω)。輸出功率outputpowerPout溫差發(fā)電器件工作時(shí)產(chǎn)生的電功率。溫差發(fā)電器件內(nèi)阻internalresistanceRin溫差發(fā)電器件輸出端之間的內(nèi)部電阻。注：?jiǎn)挝粸闅W姆(Ω)。最大輸出功率maximumoutputpowerPmax溫差發(fā)電器件工作時(shí)可產(chǎn)生的最大電功率。熱側(cè)吸熱量hotsidethermalinput溫差發(fā)電器件工作時(shí)熱側(cè)吸入的熱流量。冷側(cè)排熱量coldsidethermaloutput溫差發(fā)電器件工作時(shí)冷側(cè)排出的熱流量。發(fā)電效率generatorefficiencyη溫差發(fā)電器件工作時(shí)，其輸出功率與熱側(cè)吸熱量的比值。3T/CSMT-NY002—2024最大發(fā)電效率maximumgeneratorefficiency溫差發(fā)電器件工作時(shí)，發(fā)電效率可能達(dá)到的最大值。4測(cè)試原理溫差發(fā)電器件性能測(cè)試裝置的示意圖見(jiàn)圖1?；跐韶惪耍⊿eebeck）效應(yīng)，在給定的溫差下，溫差發(fā)電器件的輸出功率等于輸出電壓與輸出電流的乘積，發(fā)電效率等于輸出功率與熱側(cè)吸熱量的比值。標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：1——溫差發(fā)電器件試樣；2——熱源；3——熱沉；4——熱流計(jì)；5——電流采樣電阻；6——直流電子負(fù)載；7——數(shù)據(jù)采集器；8——溫控器；9——隔熱材料；10——樣品架；11——樣品室；12——?dú)夥湛刂葡到y(tǒng)：13——計(jì)算機(jī)。圖1測(cè)試裝置示意圖4T/CSMT-NY002—20245測(cè)試設(shè)備和儀器5.1測(cè)試設(shè)備5.1.1樣品室樣品室應(yīng)具有氣氛可控功能，極限真空度小于10Pa。5.1.2樣品架樣品架應(yīng)具有夾緊功能，夾緊力范圍宜為0.1kN~20kN，室溫條件下安裝時(shí)，最大允許誤差宜為5.1.4熱流計(jì)截面尺寸應(yīng)與溫差發(fā)電器件試樣一致，室溫?zé)釋?dǎo)率不低于350W/（m·K第一溫度、第二溫度測(cè)溫點(diǎn)之間的溫度差宜大于2℃。安裝面應(yīng)包絡(luò)熱流計(jì)，控制溫度宜為0℃~300℃。5.1.6隔熱材料包裹在試樣周?chē)?，熱?dǎo)率不高于0.5W/（m·K）。5.1.7計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)應(yīng)具有溫度控制模塊，電壓、溫度同步采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊及數(shù)據(jù)保存模塊。5.1.8測(cè)溫傳感器Th、Tc測(cè)溫傳感器應(yīng)緊貼試樣居中布置，T1、T2測(cè)溫傳感器應(yīng)居中布置。5.2測(cè)試儀器5.2.1溫控器控制溫度宜為0℃~1000℃,精度不低于0.2%。5.2.2電流采樣電阻額定電流不低于20A，精度不低于0.25%。5.2.3直流電子負(fù)載恒定電流模式下，電流量程不低于20A，電壓量程不低于10V。5T/CSMT-NY002—20245.2.4數(shù)據(jù)采集器電壓量程不低于10V，精度不低于0.01%。6測(cè)試條件75%。7測(cè)試試樣7.1試樣規(guī)格外形宜為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度宜為10mm~50mm，寬度宜為10mm~50mm，高度宜為2mm~30mm，長(zhǎng)度和寬度比例不應(yīng)大于1.5。試樣冷、熱側(cè)應(yīng)平整，試樣尺寸范圍內(nèi)平面度不大于0.05mm，表面粗糙度Ra不大于1.6μm，兩側(cè)的平行度不大于0.1mm。8測(cè)試程序8.1測(cè)試前準(zhǔn)備測(cè)試前準(zhǔn)備應(yīng)按下列規(guī)定執(zhí)行：a）開(kāi)啟電源，檢查設(shè)備及儀器連接是否正常；b）檢查熱源、熱沉安裝面是否清潔、無(wú)污染，必要時(shí)使用無(wú)水乙醇進(jìn)行擦拭；c）測(cè)量溫差發(fā)電器件試樣的外形尺寸。8.2測(cè)試步驟測(cè)試步驟應(yīng)按下列規(guī)定執(zhí)行：a）將溫差發(fā)電器件試樣安裝到樣品架上，并施加不低于0.3MPa的壓力，關(guān)閉樣品室；b）抽真空到真空度小于10Pa，充入惰性氣體至真空度為102Pa~103Pa，并重復(fù)不少于兩次；c）啟動(dòng)溫差發(fā)電器件性能測(cè)試軟件，按照表1進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；表1參數(shù)設(shè)置參數(shù)數(shù)值數(shù)據(jù)采集間隔/s≤10熱側(cè)溫度波動(dòng)值/[℃/（3min測(cè)試電流步長(zhǎng)/A≤1.0≤1.0電流?電壓掃描時(shí)熱側(cè)溫度波動(dòng)值/[℃/（10s≤0.5電流?電壓掃描結(jié)束條件輸出功率低于最大值的30%6T/CSMT-NY002—2024d）設(shè)置試樣熱側(cè)溫度；e）開(kāi)始測(cè)試，溫控器工作，開(kāi)始升溫，數(shù)據(jù)采集器采集信號(hào)；f）電流-電壓掃描測(cè)試：控制電子負(fù)載改變?cè)嚇虞敵鲭娏?，同步采集輸出電流、輸出電壓、熱流?jì)第一溫度和第二溫度，計(jì)算試樣輸出功率、發(fā)電效率；g）采用最小二乘法對(duì)電流-電壓曲線進(jìn)行線性擬合、分析，得到試樣的開(kāi)路電壓、短路電流、內(nèi)阻、最大輸出功率及最大輸出功率對(duì)應(yīng)的輸出電流、輸出電壓；h）取發(fā)電效率的最大值作為試樣的最大發(fā)電效率；i）結(jié)束測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果，如附錄A所示。9測(cè)試數(shù)據(jù)處理9.1輸出功率試樣的輸出功率根據(jù)公式（1）計(jì)算：…………（1）式中：Pout,i——試樣輸出功率，單位為瓦特（WVout,i——試樣輸出電壓，單位為伏特（VVs,i——電流采樣電阻兩端電壓，單位為伏特（VRs——電流采樣電阻的阻值，單位為歐姆(Ω)。9.2熱側(cè)吸熱量試樣熱側(cè)吸熱量等于輸出功率和冷側(cè)排熱量之和，根據(jù)公式（2）計(jì)算：Qh,i=Pout,i+Qc,i…………（2）式中：Qh,i——試樣熱側(cè)吸熱量，單位為瓦特（WPout,i——試樣輸出功率，單位為瓦特（WQc,i——試樣冷側(cè)排熱量，單位為瓦特（W）?！?）式中：Qc,i——試樣冷側(cè)排熱量，單位為瓦特（WT1,i——熱流計(jì)第一溫度，單位為開(kāi)爾文（KT2,i——熱流計(jì)第二溫度，單位為開(kāi)爾文（Kλ——熱流計(jì)的熱導(dǎo)率，單位為瓦特每米開(kāi)爾文[W/（m·K）]；A——熱流計(jì)的截面積，單位為平方米（m2L——熱流計(jì)第一溫度點(diǎn)與第二溫度點(diǎn)之間的距離，單位為米（m）。7T/CSMT-NY002—20249.3發(fā)電效率×100%…………（4）式中：i——試樣發(fā)電效率；Pout,i——試樣輸出功率，單位為瓦特（WQh,i——試樣熱側(cè)吸熱量，單位為瓦特（W）。9.4線性回歸曲線采用最小二乘法對(duì)試樣輸出電流-電壓曲線進(jìn)行線性擬合得到的線性回歸曲線，如公式（5）所示：Vout=Voc-Rin×Iout…………（5）式中：Vout——溫差電器件的輸出電壓，單位為伏特（VVoc——溫差電器件的開(kāi)路電壓，單位為伏特（VRin——溫差電器件的內(nèi)阻，單位為歐姆(Ω);Iout——溫差電器件的輸出電流，單位為安培（A）。9.5最大輸出功率公式（5）表示的曲線的斜率即為試樣的內(nèi)阻，當(dāng)輸出電流時(shí)，根據(jù)公式（6）計(jì)算得到溫差電器件的最大輸出功率：…………（6）式中：Pmax——溫差發(fā)電器件的最大輸出功率，單位為瓦特（WVoc——溫差發(fā)電器件的開(kāi)路電壓，單位為伏特（VRin——溫差發(fā)電器件的內(nèi)阻，單位為歐姆(Ω)。10測(cè)試報(bào)告測(cè)試報(bào)告應(yīng)包括下列內(nèi)容（可參考附錄Ab）測(cè)試數(shù)據(jù)：升溫過(guò)程中試樣熱側(cè)溫度和冷側(cè)溫度、熱流計(jì)第一溫度、熱流計(jì)第二溫度、試樣開(kāi)路電壓，以及各溫度狀態(tài)下電流-電壓掃描對(duì)應(yīng)的試樣輸出電流、試樣輸出電壓、試樣熱側(cè)溫度、試樣冷側(cè)溫度、熱流計(jì)第一溫度、熱流計(jì)第二溫度；c）測(cè)試結(jié)果及分析：各溫度狀態(tài)下試樣輸出電流與輸出電壓、輸出電流與輸出功率關(guān)