基于TEG技術(shù)的加熱器供能系統(tǒng)

周 天，侯旭峰，任保國

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

野戰(zhàn)口糧是指按照軍隊規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、供應(yīng)，在行軍、作戰(zhàn)等情況下或熱食供應(yīng)困難時食用的制式方便食品。野戰(zhàn)口糧在戰(zhàn)爭中的地位自古以來就受到重視，野戰(zhàn)條件下的飲食保障不僅關(guān)系到作戰(zhàn)人員的生存問題，而且直接影響到部隊的戰(zhàn)斗力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭高機動性的趨勢下，單兵野戰(zhàn)口糧熱食化是野戰(zhàn)口糧發(fā)展的一大方向。外軍單兵野戰(zhàn)口糧熱食化的研究起步較早，發(fā)展較快，水平較高。其中最具代表性的產(chǎn)品有美軍的自熱單兵快餐口糧，以無火焰化學(xué)加熱器為熱源對野戰(zhàn)口糧加熱，于1993 年正式列裝部隊[1]。外軍口糧加熱裝置通常由軍用汽車或柴油發(fā)電機供電，工作時噪音較大，且機動性和環(huán)境適應(yīng)性較差，無法適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的野戰(zhàn)后勤保障需求。

溫差發(fā)電器(thermoelectric generator，TEG)是一種利用塞貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的換能器，其基本組成單元為溫差發(fā)電器件，通常由多對溫差電單對以及陶瓷基板集成而成，基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其熱電轉(zhuǎn)換原理如圖2 所示：溫差發(fā)電器中的溫差電單對是由P、N 型溫差電材料通過電極連接構(gòu)成的π 型回路，在溫差電單對一端施加熱量，P 型材料中的空穴和N 型材料中的電子會因塞貝克效應(yīng)由熱端向冷端定向移動，從而在回路中形成電流[2]。

圖1 溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 溫差發(fā)電器件發(fā)電原理示意圖

TEG 能夠不依靠外部構(gòu)件直接實現(xiàn)熱能和電能的相互轉(zhuǎn)化，同時具有質(zhì)量輕、靜態(tài)、免維護(hù)的優(yōu)點[3]，嫦娥4 號探測器中的TEG 已在軌服役兩年以上。本研究設(shè)計基于TEG 技術(shù)的加熱器供能系統(tǒng)，以滿足軍隊野戰(zhàn)快速就餐和長期作戰(zhàn)補給的需要，同時提升軍事行動的機動性，增強熱食補給的自持能力。

1 設(shè)計方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)

基于TEG 技術(shù)的加熱器供能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由箱體、水箱、燃燒器、排煙孔、隔熱擋板、TEG 模塊等部件組成。TEG 模塊安裝在水箱底部，箱體內(nèi)部間隙設(shè)置隔熱擋板，防止熱量損失，在隔熱擋板開小孔以控制熱流走向，提升熱量利用效率，燃燒產(chǎn)生的煙霧沿排煙孔排出。系統(tǒng)具有鋰離子電池低溫性能好、TEG 對鋰離子電池充電效率高、可靠性高、自持能力強等特點。

圖3 基于TEG技術(shù)的加熱器供能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 供能策略

系統(tǒng)采用TEG 和鋰離子電池協(xié)同的策略對野戰(zhàn)口糧加熱器供能，分為以下三種工作模式。

(1)在啟動燃燒器時，電源管理器啟動控制電路使鋰離子電池向燃燒器供電，驅(qū)動燃燒器工作。

(2)隨著燃燒器產(chǎn)生熱量，TEG 的冷面緊貼水箱底部，水沸騰后形成水蒸氣排散，實現(xiàn)對TEG 冷面的持續(xù)散熱，沸騰的水作為散熱載體，使TEG 形成恒定的冷面溫度；燃燒器的燃燒熱對TEG 熱面持續(xù)加熱，集熱器使熱量集中，形成恒定的熱面溫度。建立有效溫差后，TEG 開始產(chǎn)生電能。在TEG發(fā)電功率小于燃燒器工作功率這一時間段內(nèi)，TEG 和鋰離子電池同時對燃燒器供電。當(dāng)TEG 輸出電壓大于鋰離子電池儲能模塊工作電壓時，TEG 開始向鋰離子電池涓流充電。

(3)當(dāng)TEG 冷熱面溫度穩(wěn)定、電輸出性能穩(wěn)定且達(dá)到燃燒器用電需求時，電源管理器進(jìn)行工作模式切換，使TEG 獨立給燃燒器供電，并將多余的電量充向鋰離子電池。

這種供能策略一方面合理利用了燃燒器產(chǎn)生的熱量，使其既能加熱食物又能被TEG 轉(zhuǎn)化為電能；另一方面減少了鋰離子電池的用電量，在鋰離子電池工作時利用TEG 產(chǎn)生的電能對其涓流充電，有助于延長鋰離子電池的壽命，可以提升系統(tǒng)的自持能力。

1.3 TEG 模塊設(shè)計

TEG 由多個TEG 模塊組成，TEG 模塊與水箱底部的集成，是設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難點。為了提升TEG 的熱電轉(zhuǎn)換效率，需減少TEG 模塊漏熱，使熱能盡量多地通過TEG 中的溫差電材料；為了避免熱能在傳入水箱時損失過多，影響傳熱效率，需盡量保證TEG 模塊與水箱底部接觸平整。綜合考慮以上因素，設(shè)計TEG 模塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 TEG模塊結(jié)構(gòu)

TEG 模塊由溫差發(fā)電器件、隔熱層、熱端集熱器、定位桿、壓緊系統(tǒng)、熱防護(hù)罩、冷端面板等組件構(gòu)成。將多個溫差發(fā)電器件放入有凹槽的隔熱層中集成為模塊，隔熱層一方面作為溫差發(fā)電器件的載體，另一方面可以減少漏熱，為了設(shè)立溫差發(fā)電器件冷熱面溫差，在每個溫差發(fā)電器件上放置一片鋁墊板。集熱器設(shè)計為圖4中的立式多層板狀結(jié)構(gòu)，可以增大換熱面積，提升TEG 模塊的熱面溫度。集熱器、隔熱材料、冷端面板和水箱底部設(shè)計貫通接口，通過定位栓和壓緊系統(tǒng)將TEG 模塊與水箱底部緊固，同時在TEG 模塊與水箱底部間放置一層柔性導(dǎo)熱絕緣墊，提升接觸面平整度，減小漏熱。

2 實驗與分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

本實驗中TEG 由6 個TEG 模塊組成，將6 個TEG 模塊安裝于口糧加熱器整機鍋具底部，為了準(zhǔn)確測試不同位置排布的TEG 模塊冷、熱面溫度和溫度分布均勻性，在6 個TEG 模塊中共布置7 個測溫?zé)犭娕迹鐖D5 所示。

圖5 TEG模塊測溫點布置

在6 個TEG 模塊的4 個典型位置各設(shè)置1 只K 型熱偶，測試TEG 模塊熱面溫度的變化情況。在6 個TEG 模塊的底板設(shè)置3 個測溫點，測試TEG 模塊冷面溫度的變化情況。熱電偶采用一體化封閉式結(jié)構(gòu)的K 型鎧裝熱偶，以提升實驗中測溫線路連接的可靠性；所有測試線路均增加隔熱層定位保護(hù)，防止測溫點松動造成溫度波動。

為了提升TEG 對鋰離子電池的充電效率，將6 個TEG 模塊分為2 組(1 號、2 號、3 號為第一組，4 號、5 號、6 號為第二組)分別串聯(lián)：3 個串聯(lián)TEG 模塊的開路電壓為54 V，當(dāng)輸出電壓為開路電壓一半(27 V)時，TEG 可以達(dá)到最大輸出功率，該電壓與鋰離子電池的電壓非常接近，通過DC-DC 轉(zhuǎn)換后充電效率較高，所以采用此種電連接方式。每個TEG 模塊由12 只外形尺寸為40 mm×40 mm 的溫差發(fā)電器件串聯(lián)組成，每只溫差發(fā)電器件中包含49 對3 mm×3 mm×1.8 mm 的溫差電元件，單只器件的室溫電阻為0.2 Ω。溫差電元件采用碲化鉍基溫差電材料，該材料在低溫下熱電性能良好，在熱面溫度250 ℃、冷面溫度100 ℃的條件下，單只器件的開路電壓可達(dá)1.5 V左右。

按照系統(tǒng)工作模式要求，電源管理器控制模塊的功能主要包括3 個方面：(1)向燃燒器的逆變供電管理：執(zhí)行鋰離子電池→燃燒器、TEG→燃燒器的直流轉(zhuǎn)交流的電壓變換；(2)向鋰離子電池的充電管理：通過DC-DC 控制TEG 向鋰離子電池充電，并監(jiān)測鋰離子電池的健康狀態(tài)；(3)供電和控制策略管理：判斷TEG 的工作狀態(tài)，實現(xiàn)幾種供電模式的切換。

2.2 TEG 模塊裝配

使用點焊槍將螺柱焊接于整機鍋具底部，在TEG 模塊底部涂抹導(dǎo)熱硅脂，將每個TEG模塊中的連接通孔與對應(yīng)的螺柱對位后穿過螺柱，使用螺母將TEG模塊固定于整機鍋具底部。

為了避免實驗中火焰燃燒和高溫氣體對測溫線纜和輸出線纜造成高溫?fù)p傷，將各線纜沿TEG 模塊排列方向整理平整后，按照TEG 模塊底板/隔熱材料/線纜/隔熱材料的順序堆疊,之后將壓板放置在外層隔熱材料上，使用螺釘穿過隔熱材料，連接壓板與TEG 模塊底板，實現(xiàn)線纜的固定。最后將各線纜穿過整機出線口，與電控模塊中對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集單元連接。TEG 模塊裝配示意圖如圖6 所示。

圖6 TEG模塊裝配

2.3 實驗結(jié)果

經(jīng)測試，燃燒器開啟5 min 后6 個TEG 模塊共產(chǎn)生1 A 電流，開始對鋰離子電池充電，18 min 時將鋰離子電池的電量由53%充至60%。25 min 時TEG 模塊的熱面最高溫度達(dá)到213 ℃，同時6 個TEG 模塊的總輸出功率達(dá)到最高的116 W，下面對各實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.3.1 TEG 冷熱面溫度

在1、2、4、6 號TEG 模塊熱面設(shè)置熱電偶，采集不同時間下TEG 模塊的熱面溫度，熱面溫度與時間關(guān)系曲線如圖7 所示。圖7 中曲線表明，所有TEG 模塊的熱面溫度均隨時間增加而上升，其中6 號TEG 模塊的熱面溫度最高，在40 min 時達(dá)到了240 ℃，這是因為6 號TEG 模塊排布于第二層流道的入口位置，屬于熱流首匯點，溫度偏高較為合理。1 號、2 號與6 號TEG 模塊熱面溫度較為相近，但4 號與6 號TEG 模塊熱面溫度差距在30～40 ℃，溫度均一性較差，主要是由于整機的熱流道區(qū)域溫差較大，4 號TEG 模塊位于整個模塊的中部，溫度不及熱流發(fā)出點和熱流首匯點較為合理。

圖7 TEG熱面溫度與時間關(guān)系

在1、4、6 號TEG 模塊冷面設(shè)置熱電偶，采集不同時間下TEG 模塊的冷面溫度，冷面溫度與時間的關(guān)系曲線如圖8 所示。圖8 中曲線表明，1、4 號與6 號TEG 模塊冷面溫度差距較大，在全時間段內(nèi)差距在30～40 ℃，這同樣是由于6 號TEG模塊處于熱流首匯點的原因。

圖8 TEG冷面溫度與時間關(guān)系

2.3.2 TEG 輸出電壓

6 個TEG 模塊的輸出電壓與時間關(guān)系曲線如圖9 所示。圖9 表明，在一定時間后，1 號、2 號、6 號TEG 模塊的輸出電壓較高，可達(dá)10～12 V；而3 號、4 號、5 號TEG 模塊的輸出電壓較低，只有8～9 V，這主要是因為1 號TEG 模塊位于熱流入口點、2 號TEG 模塊離熱流入口點較近、6 號TEG 模塊位于熱流首匯點，這3 個TEG 模塊的熱面溫度較高，更易建立溫差。對于TEG，其最大理論發(fā)電效率ηmax可用公式(1)表示，式中：TH、TC分別為TEG 熱端和冷端溫度，zTavg為TEG 中溫差電材料的平均熱電優(yōu)值。根據(jù)公式(1)可以發(fā)現(xiàn)，TEG 冷熱面溫差越大，溫差電材料的平均熱電優(yōu)值越高，則TEG 的最大理論發(fā)電效率越高。所以當(dāng)溫差電材料平均熱電優(yōu)值一定時，冷熱面溫差較大的3 個TEG 模塊的發(fā)電性能更好。

圖9 各TEG輸出電壓與時間關(guān)系

2.3.3 TEG 輸出功率

6 個TEG 模塊的總輸出功率與時間的關(guān)系曲線如圖10所示，其整體趨勢為：在前25 min 內(nèi)迅速增長，25 min 時達(dá)到最高的116 W，之后趨于平穩(wěn)。這是因為加熱初期，TEG 冷面熱量通過鍋內(nèi)的水排散，較易在TEG 冷熱面建立溫差；當(dāng)TEG 冷面溫度達(dá)到100 ℃左右，TEG 冷熱面溫差趨于穩(wěn)定，所以TEG 輸出功率呈現(xiàn)出先快速增長再穩(wěn)定的趨勢。20 min 后TEG 即可獨立給燃燒器供電，同時將多余的電量向鋰離子電池充電，充電效率可達(dá)90%以上。

3 結(jié)論

本研究設(shè)計的基于TEG 技術(shù)的加熱器供能系統(tǒng)，依托TEG 能夠?qū)崿F(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的特點，充分利用燃燒器產(chǎn)生的熱能，使其加熱野戰(zhàn)口糧的同時被轉(zhuǎn)換為電能，反過來對燃燒器供能，成功實現(xiàn)系統(tǒng)的自循環(huán)獨立運行。本系統(tǒng)自持性強和可靠性高的特點使其能夠滿足軍隊野戰(zhàn)快速就餐和長期作戰(zhàn)補給的需要，有潛力在未來的軍需后勤保障領(lǐng)域發(fā)揮作用。