基于生物質燃料的水冷式溫差發電機的實驗研究

朱凌云，李國能，康泰云，陳華鋒，鄭友取

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基于生物質燃料的水冷式溫差發電機的實驗研究

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境系統工程系，浙江省 杭州市 310023）

為解決無電區域和火災、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燃料的水冷式溫差發電機，其特點在于引入了一種輻射型的集熱器。溫差發電機的總質量為23.3kg，集成了直流穩壓器，可穩定地對外輸出電能。測試了溫差發電機的啟動特性、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1.6W時，溫差發電機可對外輸出最大功率為22.4W；繼續降低負載電阻時，溫差發電機將不能維持穩定地輸出電能。

溫差發電；功率負載特性；生物質燃料；實驗研究

0 引言

能源是人類生活的基礎，隨著世界經濟的發展，能源短缺問題日益突出，太陽能、地熱能、生物質能等可再生清潔能源以及工業廢熱等低品位能源得到了越來越多的關注[1-2]。近年來，一種溫差發電技術引起了科研人員的廣泛關注。溫差發電是一種基于塞貝克效應的發電技術，無機械運動部件，結構緊湊，維護成本低。此外，熱電材料無氣態和液態介質存在，在整個能量轉換過程中沒有廢水和廢氣等污染物排出，是一種綠色環保的能源技術。溫差發電與太陽能發電和風力發電相比，其最大的優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電材料有了顯著的突破[3-5]，溫差發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等固體燃料來烹飪食物、照明和取暖[8]。在世界范圍內仍有超過13億人口無法獲得電力，無法融入現代文明生活[9]。此外，在發生自然災害后，如何就地便捷獲取電力至今仍是技術難題。為解決無電區域和極端條件下的供電問題，一種可行的方法是將傳統的爐具與溫差發電模塊相結合，在實現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電爐。由于生物質燃料在生命周期內二氧化碳零排放的特性，因此基于生物質燃料的溫差發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電爐。該溫差發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]對溫差發電爐進行了一系列的優化，輸出功率從最初的1W增加到3.4W，最后可達到4.2W。該溫差發電爐分別采用空氣自然對流和回路型熱管對溫差發電片的冷端進行散熱。Najjar等人[15]在傳統爐灶中加入溫差發電模塊，使該溫差發電爐在正常使用時產生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電爐。該溫差發電爐使用了直流穩壓器，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于風冷，能產生6W的電能，其熱電轉換效率約為2%[16]。隨后，Champier等人對該溫差發電爐進行了優化，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電爐，其發電功率約為3W。Sornek等人[19]在壁爐煙囪上安裝溫差發電模塊，獲得了5W的最大發電功率。Lertsatitthanakorn[20]等人提出了一種基于翅片散熱器的生物質溫差發電爐，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2.4 W，熱電轉換效率為3.2%。

在國內，任德鵬[21]等人研究了負載大小等參數對發電功率的影響，指出可以通過改善冷端的換熱系數或強化熱端的熱流來提高溫差發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。實驗表明，在發動機轉速為 3000r/min、換熱通道入口處尾氣溫度為140℃的情況下，其發電電壓為1.1~1.2V，發電功率約為1.3W。馬洪奎等人[23]研制了由4片溫差發電片組成的溫差發電機，測量了其功率變化曲線，在溫差為170℃的情況下，發電功率為8.9W。李國能等人設計了一種便攜式溫差發電爐[24-25]，總質量為2.5kg，輸出電壓穩定為5V時可對外輸出 2.1W的電能。

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

1 溫差發電機和測試系統

1.1 水冷式溫差發電機簡介

水冷式溫差發電機由燃燒器、集熱器和溫差發電單元組成。圖1為該溫差發電機的樣機，主要由爐膛、環形煙道、集熱器、連接卡環、保溫棉和溫差發電單元構成。溫差發電單元是溫差發電機的核心部件，由均熱鋁板、溫差發電片、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12 mm的導熱銅棒分6組均勻安裝在爐膛的周圍，每根銅棒間隔40 mm，深入爐膛40 mm。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，用于支撐生物質燃料。爐膛頂部設有一個四分之一的環形煙道，用環形卡環與爐膛連接。環形煙道上焊有一個130mm×110mm方形拉環，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。

圖1 基于生物質燃料的溫差發電機樣機

在裝配溫差發電單元時，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電片的兩端以減少溫差發電片與鋁板和水冷散熱器的接觸熱阻。溫差發電單元如圖2所示。溫差發電片的型號是“TEP-126T200”，最高耐溫260℃，半導體材料為碲化鉍，電堆數為126對，尺寸為40mm(長)×40mm(寬)×3.8mm (高)。在溫差發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片溫差發電片串聯連接成1組，一共6組，6組溫差發電片的串并聯方式由實際實驗需要進行調整。

圖2 溫差發電單元示意圖

1.2 實驗測試系統簡介

實驗測試系統如圖3所示，該測試系統由K型熱電偶、數據采集系統和電子負載組成。將6組發電單元按順序編號，在每個溫差發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為該溫差發電機實驗測試時熱電偶的分布圖。溫差發電機的功率負載特性采用Prodigit 3311F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為實驗測試系統的實際場景。

圖3 實驗系統示意圖

圖4 熱電偶分布示意圖

圖5 實驗系統照片

Fig. 5 Photograph of the experimental system

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據，直至自供電水泵開始正常工作，待系統達到一個穩定的工作狀態后，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，讓剩余的木塊繼續燃燒，直至爐膛內的燃料燃燒完全后，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：當燃燒穩定后，通過調節Prodigit 3311F電子負載獲得不同的外部負載阻值，以測試該溫差發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

實驗經過反復測試，在6組溫差發電單元全部并聯的情況下，溫差發電機具有自啟動能力。實驗時，在測試系統中接入一個可調節的直流穩壓器，設定輸出電壓為8 V，系統自啟動后，整個系統能進入良性循環。

圖6為溫差發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組溫差發電單元的平均值；圖6(b)為直流穩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據，200s左右水泵電路出現微小電流，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后水泵的工作狀態穩定在 8V/1A左右，此時溫差為32℃。溫差發電機進入穩定工作后，水泵的運行電壓可降低，最后在功率為3W時即可滿足溫差發電機的散熱需求。

2.2 空載特性

測試溫差發電機的空載特性時，水泵由外部電源供電，這樣可以更準確地反映該溫差發電機的發電性能，排除直流穩壓器的影響。將6組溫差發電單元串聯后接入電壓表，測量該溫差發電機的最大電壓。從燃燒啟動開始記錄數據，當輸出電壓達到峰值時停止繼續投放燃料，直至系統冷卻，記錄整個動態燃燒實驗過程。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為溫差發電機空載特性曲線，其中溫差為6組溫差發電單元的平均溫差。由圖7可見，溫差發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。該數值為該裝置中6組溫差發電單元串聯后，在該溫差下的最大空載電壓，此時單片溫差發電片的輸出電壓為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較大，測量數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。

圖7 溫差發電機空載特性曲線

2.3 功率負載特性

由于電子負載儀器、穩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組溫差發電單元并聯用于測試該溫差發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，因此實驗時通過穩壓模塊設定輸出電壓為5V，其中穩壓模塊的耗電由溫差發電機供電，無需外界電源，同時實驗過程中保持溫差基本不變。圖8給出了溫差發電機經過直流穩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，穩定在4.51~4.88V之間。當外部負載阻值下降至1.6W時，溫差發電機仍能維持穩定運行，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1.6W時，溫差發電機不能持續穩定運行。

由上述實驗可知，3組溫差發電單元并聯時最大輸出功率為12.7W，輸出電壓為4.5V，輸出電流為2.8A。因此整個溫差發電機最大輸出功率可達25.4W?？鄢煤碾?W，可對外凈輸出22.4W。當外部負載保持1.6W時，而且爐膛內燃料充足時，該裝置可將輸出功率穩定在22.4W，并且可以持續保持穩定輸出。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電機的性能對比。

表1 部分溫差發電機的性能對比

由表1可見，本文設計的水冷式溫差發電機的發電功率高于大部分已報道的溫差發電機的發電功率，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，隨著發電功率的上升，溫差發電機的重量不斷增加。由表1可見，本文設計的溫差發電機的重量僅比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。從單位質量發電功率的角度上看，本文設計的溫差發電機有一定的優勢，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款溫差發電機中僅本文設計的溫差發電機采用水冷散熱方式，這為今后研發高功率輕便型的水冷式溫差發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燃料的水冷式溫差發電機，并對該發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）該生物質燃料溫差發電機通過水冷方式對冷端進行散熱，最大可對外以5 V電壓輸出功率22.4 W。

2）當溫差發電單元全部串聯時，該溫差發電機能產生的最大空載電壓為116.3 V，用戶可根據需求進行適當的串并聯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1.6W時，發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1.6W時，溫差發電機不能維持穩定運行。

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電機的功率質量比可達0.96W/kg。

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[28] BioLite. Available from: https://www.bioliteenergy.com/

Experimental Study on a Water Cooled Thermoelectric Generator Based on Biomass Fuel

ZHU Lingyun, LI Guoneng, KANG Taiyun, CHEN Huafeng, ZHENG Youqu

(Department of Energy and Environment System Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang Province, China)

In order to supply electricity in off-grid areas and under emergency conditions such as fire accident, earthquake, and snow disaster, a water-cooled thermoel- ectric generator was designed, which can be fueled with wood, charcoal and other biomass, and it is featured by the incorporation of a radial-shaped heat collector. The ther- moelectric generator, weighting of 23.3kg, incorporates a DC-DC converter to stabilize the output voltage. The start-up performance, no-load characteristic and power load feature of the thermoelectric generator were studied in detail. Results show that the average temperature difference is approximate 68℃, and the maximum no-load voltage reached 116.3 V. In loaded case, the electric power output decreases with the external load resistance. The maximum electric power output is found to be 22.4W when the external load resistance is 1.6W; and the thermoelectric generator is not able to output electricity steadily when the external load is reduced hereby.

thermoelectric generator; power load feature; biomass fuel; experimental study

10.12096/j.2096-4528.pgt.18161

2018-08-20。

朱凌云(1994)，男，碩士研究生，主要從事溫差發電機裝配技術研究，211601802004@zust.edu.cn；

朱凌云

李國能(1981)，男，博士，教授，主要從事溫差發電技術研究，109026@zust.edu.cn。

國家自然科學基金項目(51476145)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51476145).

(責任編輯 楊陽)