采用生物質燃料的溫差發電熱電聯供系統

李國能，畢 琛，朱凌云，鄭友取

（浙江科技學院 能源與環境系統工程系，杭州 310023）

0 引言

世界上有13億人無法獲得電力[1]，同時近30億人使用生物質爐進行炊事、取暖和照明[2]。生物質燃料可就地取材，在生命周期內具有二氧化碳零排放特性。隨著化石燃料的不斷使用，全球二氧化碳濃度不斷升高，2016年大氣中的平均二氧化碳濃度已達到約792 mg/m3[3]。因此，基于生物質燃料的分布式熱電聯供系統可有效規避供熱管網建設，擺脫對化石燃料的依賴，有效利用生物質廢棄物，應用前景廣闊。此外，當發生嚴重自然災害后，如何就地便捷地獲取一定電力供應，仍然是一項技術挑戰。因此，研究分布式熱電聯供系統具有重要的民生和科學研究意義。

塞貝克熱電效應發現至今，在航天和軍事領域均得到了廣泛的應用，其工作原理是不同導體或半導體的接點在不同溫差的條件下產生電動勢。隨著半導體技術的發展，其ZT值（優值）不斷提高，一般地，當ZT=1.0時，系統發電效率在5%左右，進入實用階段；當ZT=2.0時，發電效率在15%左右，可中等規模應用；當ZT=3.0時，發電效率在25%左右，可大規模應用。目前已開發出ZT=2.6的材料（SeSn），但是量產的溫差發電材料的ZT值約為1.0。溫差發電模塊工作在熱端Th和冷端Tc下，其開路電壓VOC為：

式中：N為溫差發電模塊內部的電堆數；αP和αN分別為P極和N極的塞貝克系數。此時溫差發電模塊的內阻RI為：

式中：ρP和ρN分別為P極和N極的電阻率；A和L分別為P極和N極的橫截面積和長度；z為坐標方向，零點位于冷端，往熱端方向為+z方向。當外部負載電阻為RE時，其工作電流ITE為：

假設溫差發電模塊的物性參數不隨時間變化時，其熱端和冷端的熱流率Qh和Qc分別為：

式中：kP和kN分別為P極和N極的導熱系數；式（5）右側的3項依次代表帕爾貼熱、傅里葉導熱和焦耳熱。

溫差發電技術在民用領域的應用尚處于起步階段，以下對此進行簡要的回顧。

在國外，Nuwayhid等人[4-6]在火爐上采用溫差發電片，實現給無電區域或經常斷電區域供電，原型機采用空氣自然對流散熱和熱管散熱，發電功率在 1～4.2 W[4，6]。 Lertsatitthanakorn[7]在火爐上添加溫差發電片，采用空氣自然對流散熱的方式，發電功率為2.4 W。Champier等人設計的溫差發電機采用水冷散熱，最大輸出功率在6～7.6 W[8，9]，熱電轉換效率約為2%。Rinalde等人[10]設計了一種強制流動水冷式溫差發電機，最大發電功率為12.3 W，其中一部分用于驅動水泵。Najjar等人[11]對傳統爐灶進行了改造，實現熱電聯供，總發電功率為7.8 W。Montecucco等人[12-13]設計的溫差發電機采用了最大功率點追蹤功能的直流穩壓器，發電功率達到27 W，熱電轉換效率為5%。Mal等人[14]設計的溫差發電機在采用不同溫差發電片時對外供電2～4 W。此外，2016年美國BioLite公司推出了商品化的BaseCamp火爐驅動型溫差發電機，發電功率為5 W，重量為8.16 kg[15]。在國內，溫差發電的研究主要集中在理論和材料制備研究上。在應用領域，馬洪奎和高慶[16]采用電加熱板和水冷散熱器測試得出一個溫差發電機的功率負載曲線,在工作溫差為170℃時，發電功率為8.9 W。筆者等人[17-20]設計的若干便攜式溫差發電爐，發電功率為2～12.9 W。

綜上所述，基于塞貝克效應的溫差發電系統，發電效率較低，一般不超過5%，限制了其大規模應用。然而，該技術在分布式熱電聯供方面具有顯著的優勢：首先，溫差發電技術是純固態的發電技術，維護簡單，不依賴氣候，可長期穩定運行；其次，該發電技術的冷端有大量熱量需要耗散，這些耗散熱沒有任何污染，是供熱的優質來源；最后，該技術可脫離電網，擺脫化石燃料，就地實現分布式熱電聯供。

在前人的研究基礎上，本文設計了一種分布式熱電聯供系統，提出了一種新型的集熱器，制作樣機并完成實驗室測試和現場測試，詳細研究其供電特性和供熱特性，采用理論模型分析驗證了實驗數據，研究結果可充實已有研究工作，為后續研究人員提供有意義的參考。

1 系統簡介

基于生物質燃料溫差發電機的熱電聯供系統如圖1所示，主要包括溫差發電機、水箱、水泵、暖氣片、供暖風扇和電池組。電池組位于電能管理系統內，用于平衡內部用電和外部用電。溫差發電機的結構、實物圖、電路圖和樣機實物如圖2所示。溫差發電機由2個Ω形狀的紫銅板對稱安裝，組成一個集熱器，同時提供燃燒室和溫差發電模塊的安裝平面。24個溫差發電模塊均勻安裝在集熱器的4個安裝平面，每個平面安裝6個溫差發電模塊作為一組溫差發電單元。每個溫差發電單元內部串聯，4個溫差發電單元之間并聯。溫差發電模塊型號為TEG-126T200，耐溫200℃，半導體材料為碲化鉍，電堆數為126，尺寸為40 mm×40 mm×3.8 mm。溫差發電模塊冷端貼合安裝鋁質水冷散熱器，尺寸為240 mm×40 mm×12 mm，冷卻工質為水，裝載在水箱內，由水泵進行循環。溫差發電機的出水管路中安裝暖氣片，由供暖風扇進行強制冷卻，提供清潔暖風。與此同時，溫差發電機的燃燒排放煙氣可作為炊事使用，水箱可提供生活熱水。

圖1 含生物質燃料溫差發電機的熱電聯供系統

圖2 （a）所示的集熱器區別于已有相關研究的集熱器，該集熱器吸收了整個燃燒室區域的輻射傳熱熱流率，而已有的相關研究主要依靠一個或多個伸入火焰區域的導熱體吸收的對流傳熱熱流率。因此，已有相關研究難以集成數十個溫差發電模塊進行熱電聯供。本文設計的熱電聯供系統由1個室外機和1個室內機組成，如圖2（d）所示。室外機尺寸為0.35 m×0.35 m×0.5 m，質量為32 kg，室內機尺寸為0.35 m×0.2 m×0.25 m，質量為4.8 kg。在實際測試時的燃料為木炭或薪柴，溫度傳感器為K型熱電偶，結合Agilent 34 970 A數據采集儀采集溫度信號，溫差發電機的功率負載特性采用Prodigit 3311F電子負載測試，其電壓輸入范圍為0～60 V，精度為0.5%。

本文設計的溫差發電熱電聯供系統的電能管理系統如圖3所示。溫差發電模塊組（4組溫差發電單元并聯，每個單元內6個溫差發電模塊串聯）的電能接入1個電能測試儀EET，經過第1個穩壓器（DDC-0）同時給 2 個電池組（BT-1， BT-2）和 2個穩壓器（DDC-1，DDC-3）供電，DDC-3給外部負載和內部儀器儀表供電，DDC-1同時給1個穩壓器（DDC-2）和冷卻水泵供電，DDC-2同時給溫控儀和電能管理系統的散熱風扇供電，溫控儀控制鼓風風扇的工作。

圖2 生物質燃料溫差發電機示意及樣機

2 實驗結果及分析

2.1 供電測試結果及分析

圖3 熱電聯供系統的電能管理系統

為測試系統的供電能力，用電子負載代替電能管理系統中的電池組，以測試系統的充電能力。在測試供電能力時，系統的水泵、供暖風扇和儀器儀表的電能全部由發電系統自供電和自維持（內部總耗電14.6 W），即發電機多余的電能通過電子負載耗散，以測試供電能力，從而配置合適的電池組進行儲能。圖4和圖5分別給出了2組測試工況（熱端溫度150℃和180℃）下的熱端溫度、工作溫差ΔT、輸入電壓Uin、負載電壓Uld、負載功率Pld和負載電流Ild隨負載大小的變化規律。值得注意的是，熱端溫度并不是維持恒定的設定值（150℃ 或180℃），而是在一定范圍內輕微波動，這是由于溫控儀設有溫控回差造成的，用于避免溫控儀頻繁動作。

由圖4和圖5可見，熱端溫度為150℃和180℃時對應的平均工作溫差為95℃和112℃，對應的冷端溫度分別為55℃和 68℃，因此，冷卻水的溫度在50℃～68℃，適合供暖使用，同時也可作為生活熱水來源。此外，隨著負載電阻的減小，供電功率不斷增大，最大值分別為15.2 W和22.2 W，即每小時的發電電能為15.2 Wh和22.2 Wh。作為參考，一個智能手機的電池儲電電能約為10 Wh，因此，該發電系統可以為電子產品供電，但無法為大型用電器供電。

圖4 熱端溫度為150℃時的溫差發電機功率負載特性

圖5 熱端溫度為180℃時的溫差發電機功率負載特性

2.2 供熱測試結果及分析

為測試系統的供熱性能和供熱效果，聯合杭州濱江某高新技術企業在新疆烏魯木齊某山山頂開展供熱實驗研究，此時所有供電設施由發電機提供，帳篷由企業提供，重點測試本文設計的熱電聯供系統的供熱能力和帳篷的保溫性能。測試空間的平面圖和測點布置如圖6所示，室內面積25 m2，帳篷外表面積為52 m2，室內布置9個溫度測點，水箱和室內機放置在室內，向室內供熱；室外機位于室外，距離帳篷3 m；燃料為木炭，水源通過融雪獲得；測試實驗過程中室外環境溫度介于-18℃～-15℃。

圖6 熱電聯供實地測量示意及帳篷實物

溫差熱電聯供系統穩定后，各個測點的溫度如表1所示。由表1可見，采用本文設計的熱電聯供系統后，室內溫度維持在15℃以上，室內外溫差達到30℃。為測量實際的供熱功率，采用德圖手持式風速計測量暖氣片出口的風速和溫度，從而計算出暖風的質量流率和供熱功率，結果如表2所示。由表2可見，暖氣片的總供熱功率為1 158 W。此外，儲水罐存在自然散熱熱流率，根據其外表面積和自然對流換熱系數（10 W/m2·K）可計算得出其散熱熱流率為84 W，因此，室內的總供熱功率為1 242 W。綜合上述測試結果，發電總功率為36.8 W，供熱總功率為1 242 W，由此可計算出溫差熱電效率為2.88%，低于溫差發電模塊的工作效率（約為5%），這是由于系統集成后溫差發電機不可避免地存在界面熱阻，以及集熱器溫度分布不均勻導致溫差發電單元之間的內耗造成的。

表1 室內溫度分布

表2 暖氣片加熱功率的測量結果

表3 溫差發電模塊尺寸和物性參數

2.3 理論分析

為驗證分析實驗結果，采用式（1）—（5）計算系統的發電功率和供熱功率，采用的物性參數如表3所示，其中Atot為溫差發電模塊單面的面積，Lcm為陶瓷片的厚度。

考慮陶瓷片的熱阻和接觸熱阻后，實際的工作溫差為[21-22]：

測量溫差為95℃，根據已有文獻的研究結果r=0.2，而w=Lcm/L，因此，實際工作溫差為86.1℃。根據式（1）可計算獲得單個溫差發電模塊的電壓VOC為4.459 V。根據式（2）和接觸電阻值[21-22]可計算獲得單個溫差發電模塊的內阻為4.07Ω，因此，系統的最大工作電流為：

式中：NTE為每個發電單元的溫差發電模塊數；Ng為并聯的溫差發電單元數。

由圖 2（c）可見， NTE=6， Ng=4。 因此， 發電功率為：

除計算發電功率外，采用式（4）和式（5）計算從熱端的吸熱量和從冷端的放熱量，如表4所示。其中，QP為帕爾貼熱；Qcd為傅里葉導熱；QJ為焦耳熱；Qtot為總功率。由表4可見，傅里葉導熱熱流率占主，但是對發電沒有貢獻；真正起發電作用的是帕爾貼效應（塞貝克效應）導致的熱流率在冷熱兩端的差值剛好等于系統的實際發電功率。綜上所述，在熱端工作溫度為150℃時，實驗發電量為29.8 W，理論計算結果為29.3 W；實驗供熱功率為1 242 W，理論計算結果為1 312 W，實驗結果與理論計算結果基本一致。

表4 熱端和冷端的熱流功率

3 結語

通過設計一種基于生物質燃料溫差發電機的分布式熱電聯供系統，提出了一種新型的集熱器，制作樣機并完成了實驗室測試和現場測試。實驗結果表明：該熱電聯供系統可提供36.8 W的電力和1 242 W清潔暖風，其中22.2 W電力可對外輸出，為小型電子產品供電。此外，采用理論模型計算了所設計的熱電聯供系統，理論分析結果與實驗結果一致。理論模型分析結果揭示了該溫差熱電聯供系統已充分利用了每一個溫差發電模塊的發電能力，基于輻射換熱的集熱器是利用溫差發電技術進行熱電聯供的關鍵。