朱凌云，李國能，康泰云，陳華鋒，鄭友取

（浙江科技學院能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系，浙江省杭州市310023）

　　摘要：為解決無電區(qū)域和火災、地震和雪災等特殊條件下的供電問題，設計了一種可燃用木柴和木炭等生物質(zhì)燃料的水冷式溫差發(fā)電機，其特點在于引入了一種輻射型的集熱器。溫差發(fā)電機的總質(zhì)量為23.3kg，集成了直流穩(wěn)壓器，可穩(wěn)定地對外輸出電能。測試了溫差發(fā)電機的啟動特性、空載特性和功率負載特性，結果表明：該溫差發(fā)電機的平均工作溫差為68℃，最大空載電壓達到116.3V。當接入負載時，輸出功率隨外部負載電阻的增大而降低。當外部負載為1.6Ω時，溫差發(fā)電機可對外輸出最大功率為22.4W；繼續(xù)降低負載電阻時，溫差發(fā)電機將不能維持穩(wěn)定地輸出電能。

　　0引言

　　能源是人類生活的基礎，隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，能源短缺問題日益突出，太陽能、地熱能、生物質(zhì)能等可再生清潔能源以及工業(yè)廢熱等低品位能源得到了越來越多的關注^[1-2]。近年來，一種溫差發(fā)電技術引起了科研人員的廣泛關注。溫差發(fā)電是一種基于塞貝克效應的發(fā)電技術，無機械運動部件，結構緊湊，維護成本低。此外，熱電材料無氣態(tài)和液態(tài)介質(zhì)存在，在整個能量轉換過程中沒有廢水和廢氣等污染物排出，是一種綠色環(huán)保的能源技術。溫差發(fā)電與太陽能發(fā)電和風力發(fā)電相比，其最大的優(yōu)點在于不受自然天氣的約束。近年來，隨著半導體技術的進步，基于塞貝克效應的溫差發(fā)電材料有了顯著的突破^[3-5]，溫差發(fā)電技術逐漸具備了實用價值。在軍事、余熱利用和地熱利用等領域已取得了廣泛的應用^[6-7]。

　　世界上有30億人口需要使用生物質(zhì)等固體燃料來烹飪食物、照明和取暖^[8]。在世界范圍內(nèi)仍有超過13億人口無法獲得電力，無法融入現(xiàn)代文明生活^[9]。此外，在發(fā)生自然災害后，如何就地便捷獲取電力至今仍是技術難題。為解決無電區(qū)域和極端條件下的供電問題，一種可行的方法是將傳統(tǒng)的爐具與溫差發(fā)電模塊相結合，在實現(xiàn)炊事和取暖的同時獲得一定量的電力，這種方法的應用即為溫差發(fā)電爐。由于生物質(zhì)燃料在生命周期內(nèi)二氧化碳零排放的特性，因此基于生物質(zhì)燃料的溫差發(fā)電爐具有重要的研究意義。

　　在國外，Montecucco等人^[10-11]設計了一種以固體可燃物為燃料的溫差發(fā)電爐。該溫差發(fā)電爐冷端的散熱方式為水冷散熱，在250℃的溫差下，最大平均輸出功率可達27W，其熱電轉換效率為4%~5%。Nuwayhid等人^[12-14]對溫差發(fā)電爐進行了一系列的優(yōu)化，輸出功率從最初的1W增加到3.4W，最后可達到4.2W。該溫差發(fā)電爐分別采用空氣自然對流和回路型熱管對溫差發(fā)電片的冷端進行散熱。Najjar等人^[15]在傳統(tǒng)爐灶中加入溫差發(fā)電模塊，使該溫差發(fā)電爐在正常使用時產(chǎn)生7.8W的電能。Champier等人^[16-17]設計了一種能提高燃燒效率的溫差發(fā)電爐。該溫差發(fā)電爐使用了直流穩(wěn)壓器，同時在實驗中對水冷和風冷2種不同的散熱方式進行了對比。結果表明水冷的效果優(yōu)于風冷，能產(chǎn)生6W的電能，其熱電轉換效率約為2%^[16]。隨后，Champier等人對該溫差發(fā)電爐進行了優(yōu)化，其最大輸出功率可達9.5W^[17]。

　　Mal等人^[18]研制了一種風冷型溫差發(fā)電爐，其發(fā)電功率約為3W。Sornek等人^[19]在壁爐煙囪上安裝溫差發(fā)電模塊，獲得了5W的最大發(fā)電功率。Lertsatitthanakorn^[20]等人提出了一種基于翅片散熱器的生物質(zhì)溫差發(fā)電爐，研究了不同溫度下的熱電轉換效率。實驗結果表明，在150℃左右的溫差下，最大輸出功率可達2.4W，熱電轉換效率為3.2%。

　　在國內(nèi)，任德鵬^[21]等人研究了負載大小等參數(shù)對發(fā)電功率的影響，指出可以通過改善冷端的換熱系數(shù)或強化熱端的熱流來提高溫差發(fā)電器件的熱電轉換效率。陳偉^[22]等人設計了一款具有錯排擾流片結構的新型溫差發(fā)電裝置，用于回收汽車尾氣余熱。該裝置可通過錯排結構來提高換熱通道的換熱系數(shù)。實驗表明，在發(fā)動機轉速為3000r/min、換熱通道入口處尾氣溫度為140℃的情況下，其發(fā)電電壓為1.1~1.2V，發(fā)電功率約為1.3W。馬洪奎等人^[23]研制了由4片溫差發(fā)電片組成的溫差發(fā)電機，測量了其功率變化曲線，在溫差為170℃的情況下，發(fā)電功率為8.9W。李國能等人設計了一種便攜式溫差發(fā)電爐^[24-25]，總質(zhì)量為2.5kg，輸出電壓穩(wěn)定為5V時可對外輸出2.1W的電能。

　　綜上所述，國內(nèi)外對溫差發(fā)電爐的研究尚處于起步階段，大部分文獻展示的溫差發(fā)電爐的發(fā)電功率均小于10W^[26-27]，僅有一款商品化銷售的溫差發(fā)電爐^[28]。本文設計了一種基于生物質(zhì)燃料的水冷式溫差發(fā)電機，搭建了相關實驗測試平臺，對該發(fā)電機的啟動特性、空載特性和功率負載特性進行了測試。該研究可為后續(xù)開發(fā)更大功率的溫差發(fā)電爐提供參考。

　　1溫差發(fā)電機和測試系統(tǒng)

　　1.1水冷式溫差發(fā)電機簡介

　　水冷式溫差發(fā)電機由燃燒器、集熱器和溫差發(fā)電單元組成。圖1為該溫差發(fā)電機的樣機，主要由爐膛、環(huán)形煙道、集熱器、連接卡環(huán)、保溫棉和溫差發(fā)電單元構成。溫差發(fā)電單元是溫差發(fā)電機的核心部件，由均熱鋁板、溫差發(fā)電片、水冷散熱器和水泵組成。爐膛主體采用不銹鋼材料，直徑為100mm，豎直高度為530mm，在不同位置打孔安裝導熱銅棒構成集熱器，即24根直徑為12mm的導熱銅棒分6組均勻安裝在爐膛的周圍，每根銅棒間隔40mm，深入爐膛40mm。在靠近底部140mm的位置開有100mm×70mm的矩形添料口，其底部焊有爐排，用于支撐生物質(zhì)燃料。爐膛頂部設有一個四分之一的環(huán)形煙道，用環(huán)形卡環(huán)與爐膛連接。環(huán)形煙道上焊有一個130mm×110mm方形拉環(huán)，用于手持移動。整個裝置由3根不銹鋼支架支撐，爐膛底部距離地面120mm。

　　在裝配溫差發(fā)電單元時，首先在均熱鋁板上打孔，將導熱銅棒通過螺紋固定在均熱鋁板上；然后，再把銅棒插入爐膛內(nèi)部，以便與煙氣充分接觸，吸收煙氣熱量；其次，將導熱硅脂均勻地涂在溫差發(fā)電片的兩端以減少溫差發(fā)電片與鋁板和水冷散熱器的接觸熱阻。溫差發(fā)電單元如圖2所示。溫差發(fā)電片的型號是“TEP-126T200”，最高耐溫260℃，半導體材料為碲化鉍，電堆數(shù)為126對，尺寸為40mm(長)×40mm(寬)×3.8mm(高)。在溫差發(fā)電單元下方的爐膛外包有保溫棉，防止熱量流失。實驗中，將4片溫差發(fā)電片串聯(lián)連接成1組，一共6組，6組溫差發(fā)電片的串并聯(lián)方式由實際實驗需要進行調(diào)整。

　　1.2實驗測試系統(tǒng)簡介

　　實驗測試系統(tǒng)如圖3所示，該測試系統(tǒng)由K型熱電偶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電子負載組成。將6組發(fā)電單元按順序編號，在每個溫差發(fā)電單元中的鋁板和水冷散熱器的上表面打孔安裝熱電偶，測量每個溫差發(fā)電單元冷端和熱端的溫度，因此，整個裝置共布置有12個K型熱電偶。熱電偶直徑為2mm，精度為1.0%。圖4為該溫差發(fā)電機實驗測試時熱電偶的分布圖。溫差發(fā)電機的功率負載特性采用Prodigit3311F電子負載進行測試，其電壓的輸入范圍為0~60V，精度為0.5%。在測量該溫差發(fā)電機的最大輸出電壓時，使用萬用表對電壓進行測量。實驗時所使用的燃料是日常生活中容易獲得的松木塊，通過燃燒松木塊產(chǎn)生實驗所需的高溫煙氣，供銅棒吸收熱能。圖5為實驗測試系統(tǒng)的實際場景。

　　實驗測試分為3個部分：1）啟動特性測試：該部分實驗從點火開始記錄輸入電壓、水泵電壓、電流以及冷熱端溫度數(shù)據(jù)，直至自供電水泵開始正常工作，待系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)后，停止實驗記錄，整個過程所耗時間約為1000s。2）空載特性測試：該部分實驗從點火開始記錄溫度與輸出電壓的關系，直至輸出電壓達到最高后，停止添加木塊，讓剩余的木塊繼續(xù)燃燒，直至爐膛內(nèi)的燃料燃燒完全后，且冷熱端溫度降低至與實驗開始時冷熱端溫度基本相同時停止。3）功率負載特性：當燃燒穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)Prodigit3311F電子負載獲得不同的外部負載阻值，以測試該溫差發(fā)電機在不同負載下的功率輸出特性。

　　2實驗結果與分析

　　2.1啟動特性

　　實驗經(jīng)過反復測試，在6組溫差發(fā)電單元全部并聯(lián)的情況下，溫差發(fā)電機具有自啟動能力。實驗時，在測試系統(tǒng)中接入一個可調(diào)節(jié)的直流穩(wěn)壓器，設定輸出電壓為8V，系統(tǒng)自啟動后，整個系統(tǒng)能進入良性循環(huán)。

　　圖6為溫差發(fā)電機的自啟動特性曲線。圖6(a)為冷熱端溫度、溫差和輸入電壓隨時間的變化曲線，其中熱端溫度和溫差為6組溫差發(fā)電單元的平均值；圖6(b)為直流穩(wěn)壓器后的輸出電壓和水泵電流隨時間的變化曲線。實驗從點火開始記錄數(shù)據(jù)，200s左右水泵電路出現(xiàn)微小電流，此時溫差為4.8℃。在240s后，輸入電壓開始迅速上升，到360s時，水泵開始工作，系統(tǒng)進入強迫對流散熱模式，冷端溫度開始迅速下降，此時溫差為11℃，輸入電壓為5.7V，輸出電壓為5.4V。

　　360s后，各參數(shù)開始迅速上升，380s時輸出電壓達到峰值電壓9.3V，此時溫差為23℃，輸入電壓為10.9V。400s后水泵的工作狀態(tài)穩(wěn)定在8V/1A左右，此時溫差為32℃。溫差發(fā)電機進入穩(wěn)定工作后，水泵的運行電壓可降低，最后在功率為3W時即可滿足溫差發(fā)電機的散熱需求。

　　2.2空載特性

　　測試溫差發(fā)電機的空載特性時，水泵由外部電源供電，這樣可以更準確地反映該溫差發(fā)電機的發(fā)電性能，排除直流穩(wěn)壓器的影響。將6組溫差發(fā)電單元串聯(lián)后接入電壓表，測量該溫差發(fā)電機的最大電壓。從燃燒啟動開始記錄數(shù)據(jù)，當輸出電壓達到峰值時停止繼續(xù)投放燃料，直至系統(tǒng)冷卻，記錄整個動態(tài)燃燒實驗過程。在實驗過程中，冷端溫度保持在30℃左右，熱端溫度不斷上升，峰值為102℃。

　　圖7為溫差發(fā)電機空載特性曲線，其中溫差為6組溫差發(fā)電單元的平均溫差。由圖7可見，溫差發(fā)電機的輸出電壓與冷熱端溫差成正比，溫差越大，輸出電壓越大。當溫差達到68℃時，輸出電壓達到116.3V。該數(shù)值為該裝置中6組溫差發(fā)電單元串聯(lián)后，在該溫差下的最大空載電壓，此時單片溫差發(fā)電片的輸出電壓為4.85V。值得注意的是，在溫差相同的情況下，溫差發(fā)電機在溫差上升過程中的輸出電壓要比溫差下降過程的輸出電壓大。這種特性一方面是由熱電材料本身造成的，另一方面是由于熱電偶測溫時其時間常數(shù)較大，測量數(shù)值不能及時跟隨溫差變化，導致升溫過程中測量溫差小于實際溫差，而在降溫過程中測量溫差大于實際溫差。

　　2.3功率負載特性

　　由于電子負載儀器、穩(wěn)壓器對電流值的限制，為保證實驗的安全性，避免測試最大輸出功率時的最大電流超過實驗儀器的額定電流，實驗時任意選擇3組溫差發(fā)電單元并聯(lián)用于測試該溫差發(fā)電機的功率負載特性。目前手機和LED燈等小型用電裝置的工作電壓普遍為5V，因此實驗時通過穩(wěn)壓模塊設定輸出電壓為5V，其中穩(wěn)壓模塊的耗電由溫差發(fā)電機供電，無需外界電源，同時實驗過程中保持溫差基本不變。圖8給出了溫差發(fā)電機經(jīng)過直流穩(wěn)壓器后輸出功率的負載特性曲線。如圖8所示，隨著外部負載阻值的減小，溫差發(fā)電機的輸出功率與電流均不斷增大，輸出電壓基本保持不變，穩(wěn)定在4.51~4.88V之間。當外部負載阻值下降至1.6Ω時，溫差發(fā)電機仍能維持穩(wěn)定運行，此時輸出功率和電流分別是12.7W和2.8A。整個測試過程中，熱端溫度和溫差維持在91℃和50℃左右。當電子負載低于1.6Ω時，溫差發(fā)電機不能持續(xù)穩(wěn)定運行。

　　由上述實驗可知，3組溫差發(fā)電單元并聯(lián)時最大輸出功率為12.7W，輸出電壓為4.5V，輸出電流為2.8A。因此整個溫差發(fā)電機最大輸出功率可達25.4W。扣除水泵耗電3W，可對外凈輸出22.4W。當外部負載保持1.6Ω時，而且爐膛內(nèi)燃并且可以持續(xù)保持穩(wěn)定輸出。為便于對比分析，表1給出了文獻和市場中部分已有的溫差發(fā)電機的性能對比。

　　由表1可見，本文設計的水冷式溫差發(fā)電機的發(fā)電功率高于大部分已報道的溫差發(fā)電機的發(fā)電功率，基本可以滿足一些小型用電器的充電要求，應用范圍廣泛。但是，隨著發(fā)電功率的上升，溫差發(fā)電機的重量不斷增加。由表1可見，本文設計的溫差發(fā)電機的重量僅比Nuwayhid等人的設計輕便一些，與其他3個設計差距較大，未達到小巧便攜。從單位質(zhì)量發(fā)電功率的角度上看，本文設計的溫差發(fā)電機有一定的優(yōu)勢，這主要得益于全新設計的星型集熱結構。值得注意的是，表1中所示的5款溫差發(fā)電機中僅本文設計的溫差發(fā)電機采用水冷散熱方式，這為今后研發(fā)高功率輕便型的水冷式溫差發(fā)電機提供了一定的參考價值。此外文獻[10-11]中的水冷式溫差發(fā)電爐可最大輸出27W的電能，與本文設計的輸出功率較為接近，但文獻[10-11]未給出其重量，因此未能進行性能對比。

　　3結論

　　設計了一種基于生物質(zhì)燃料的水冷式溫差發(fā)電機，并對該發(fā)電機的可行性進行了測試，分析了該裝置的啟動特性、空載特性和功率負載特性，獲得以下幾點結論：

　　1）該生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機通過水冷方式對冷端進行散熱，最大可對外以5V電壓輸出功率22.4W。

　　2）當溫差發(fā)電單元全部串聯(lián)時，該溫差發(fā)電機能產(chǎn)生的最大空載電壓為116.3V，用戶可根據(jù)需求進行適當?shù)拇⒙?lián)組合以獲得所需的電壓。

　　3）輸出功率隨外部電阻的減小而增大，當外部電阻值為1.6Ω時，發(fā)電機凈對外輸出功率達到最大值，為22.4W。當外部電子負載低于1.6Ω時，溫差發(fā)電機不能維持穩(wěn)定運行。

　　4）提出的星型集熱器設計，可有效提高功率重量比，測試結果顯示該溫差發(fā)電機的功率質(zhì)量比可達0.96W/kg。