淺談TEG熱發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理及常見故障處理

【摘要】隨著天然氣管道輸送技術(shù)的發(fā)展，TEG熱發(fā)電機(jī)在長輸管道上獲得越來越廣泛的使用。而TEG熱發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理在國內(nèi)刊物上鮮有報道，筆者結(jié)合運行維護(hù)實踐，對8550型TEG熱發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理進(jìn)行分析，并對TEG熱發(fā)電機(jī)運行過程中常見故障及處理方法進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】TEG熱發(fā)電機(jī)；結(jié)構(gòu)；發(fā)電原理；故障處理

TEG是熱電發(fā)生機(jī)的簡稱，是Thermoelectric Generator的縮寫。它是利用半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)，將熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置，它采用熱電偶原理發(fā)電，將兩種不同的金屬材料一端連接形成一個熱電偶，如果該接點被加熱到比另一端溫度高，不同材料的兩個冷端將產(chǎn)生熱電動勢。此時可向電路中的負(fù)載送電，溫差若能保持，這一過程將持續(xù)[1-2]。整個轉(zhuǎn)換過程中沒有一個運動的部件，所以可靠性高，壽命長，可達(dá)20年以上。通常TEG大多數(shù)應(yīng)用在30W至1.5kW之間。冷熱端溫度對半導(dǎo)體熱電發(fā)電性能影響都比較大，且變化關(guān)系是非線性的[3]。

1、TEG熱發(fā)電機(jī)的組成和結(jié)構(gòu)

某輸氣管道干線閥室內(nèi)負(fù)載采用TEG熱發(fā)電機(jī)提供，由加拿大環(huán)球熱電技術(shù)公司生產(chǎn)，型號為8550型，發(fā)電電壓27VDC，額定功率 550W，主要組成包括[4]：

（1）燃燒器：燃燒器由點火系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、文丘里管、燃燒器頂板組件。

（2）點火系統(tǒng)：火花點火器、點火模塊、自動切斷裝置。

（3）散熱管：12根注滿液體的密封傳熱器件，配有散熱翅片，用于冷卻發(fā)電單元的冷接點。

（4）發(fā)電單元：發(fā)電機(jī)的密封部分，內(nèi)含熱電材料。

（5）6720型限制器：又稱功率調(diào)節(jié)器，指連接在發(fā)電機(jī)輸出端的專用電子裝置，與用戶負(fù)載并聯(lián)連接，用于轉(zhuǎn)變直流電壓大小和限制電壓高低。TEG發(fā)電單元不允許電壓高于35V，因此，功率調(diào)節(jié)器必須限制用戶電壓，采用消除過剩功率的辦法限制發(fā)電單元的電壓。

（6）燃料系統(tǒng)：燃料系統(tǒng)是TEG的一個重要組成部分。燃料系統(tǒng)包括一個壓力調(diào)節(jié)器，它調(diào)節(jié)通向燃料噴嘴的燃料壓力。調(diào)節(jié)器既包括一個燃料過濾器，還包括整個積液槽。壓力調(diào)節(jié)器的出口與一個匯管和壓力表相連，壓力表是用來監(jiān)測通向燃料噴嘴的燃料壓力的。

（7）自動關(guān)閉系統(tǒng)：自動關(guān)閉系統(tǒng)的設(shè)置是用來在出現(xiàn)燃燒中斷時，截斷燃料供應(yīng)。由自動切斷閥、關(guān)斷繼電器和熱電偶組成。自動切斷閥包含一個電磁鐵，由安裝在燃燒器頂部的熱電偶驅(qū)動。當(dāng)熱電偶不再被火焰加熱時，電流會降到零，電磁鐵將閥門關(guān)閉，切斷氣路。

2、TEG熱發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)

2.1輸出電壓

若TEG內(nèi)阻為R，塞貝克系數(shù)為EPN，負(fù)載電阻為RL，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，PN結(jié)溫差為△T=TH-TL時，則作用在負(fù)載上的輸出電壓為[5]：

2.2 輸出電流

2.3 輸出功率

2.4 工作效率

TEG工作效率為輸出功率和熱端吸收熱量的比，

上式中：

k為溫差熱電偶的總導(dǎo)熱系數(shù)，W·K-1·m-1；

A為傳熱面積，m2；

l為溫差電偶臂的長度，m。

3、TEG熱發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理

一個熱電偶是由一個P結(jié)和一個N結(jié)組成，P結(jié)和N結(jié)的電阻由熱端電極相連。相鄰熱電偶用冷端電極在冷端進(jìn)行電氣連接。TEG的每個熱電偶都十分類似于一個單體鉛酸蓄電池，因為它基本上是一個低電壓、高電流的電源。8550型的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)上的每個熱電偶在21安培時一般就能產(chǎn)生87毫伏的電壓。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，325個熱電偶，每個產(chǎn)生87毫伏的電壓，以串聯(lián)方式連接，從而產(chǎn)生28伏，21安，590瓦的電力。

熱電偶的熱端，由燃燒器產(chǎn)生的高溫（538℃）來維持。燃燒器使用氣體燃料，在中等燃料壓力下運行，該壓力大約為124kPa（18Psi）（丙烷），或62kPa（9Psi）（天然氣）。燃料氣通過噴嘴后膨脹，然后流經(jīng)文丘里管，吸入燃燒所需的空氣。燃料氣體流量由調(diào)壓閥控制，并且可由操作人員按所需的設(shè)定功率調(diào)節(jié)。熱電偶的冷端由一組熱管（8550型為12根）來維持其較低的溫度（163℃）。每個熱管都密封，并注入定量液體。該液體受熱會沸騰變成飽和蒸汽，蒸汽在其上部區(qū)域會在散熱片的作用下再次冷凝，在此過程中，熱以一種非常有效的方式傳遞到散熱片。散熱片依靠自然對流將熱量傳遞到環(huán)境空氣中。熱電偶采用密封封裝，由絕熱材料包圍，將熱損耗降低到最低?？傊?，當(dāng)熱電材料的冷、熱端保持溫差時，TEG發(fā)電機(jī)就可以產(chǎn)生電能。溫差和功率大小取決于提供給燃料器的燃料供應(yīng)速度以及周圍空氣提供的冷卻量，TEG的運行由通向燃燒器的燃料壓力來控制。通常情況下單臺TEG發(fā)電機(jī)燃料消耗量單臺消耗天然氣量為2Nm3/小時。

4、TEG熱發(fā)電機(jī)常見故障檢查與維修

4.1 TEG熱發(fā)電機(jī)不能正常點火

（1）為了避免高壓電擊，從壓力開關(guān)上拆下橙色的電線，并絕緣，以免碰到其它電線或接頭。

（2）松開夾緊裝置，小心地拆下電火花電極，并將其滑出來。

（3）檢查電火花電極組件的陶瓷套管是否有裂紋，檢查穿過陶瓷套管的電線是否連續(xù)不斷，如有損壞，更換電火花電極。

（4）為了測試控制模件的功能，電火花電極的觸點位置應(yīng)與TEG箱保持3mm的間隔，然后將橙色的電線接頭與壓力開關(guān)相連，就會產(chǎn)生每秒一次的火花，一旦產(chǎn)生火花，表明系統(tǒng)功能正常。

（5）檢查壓力開關(guān)。燃?xì)鈮毫Ω哂?6kPa（2.5psi）時，壓力開關(guān)應(yīng)為關(guān)閉。檢查壓力開關(guān)是否為連線松動（接觸不良），若連線牢固，需對壓力開關(guān)進(jìn)行清潔或者更換。

（6）測量壓力開關(guān)上的棕色線和TB-1上的端子4的黑/白細(xì)線之間的電壓，以檢查電池電壓。電池電壓應(yīng)該超過2.0伏特。如果該電壓低于2.0伏特，則電池需要充電。如果充電后的電池不能達(dá)到該電壓，則應(yīng)該更換電池和/或控制模件。

4.2 單臺TEG啟動后電磁閥不能保持開啟處理步驟

（1）在進(jìn)行下列檢測前，應(yīng)確認(rèn)熱電偶與機(jī)箱頂部，熱電偶與繼電器，及繼電器與自動切斷閥之間連接緊固。

（2）檢查TEG燃燒室熱電偶：從自動切斷閥上拆下熱電偶裝置，如果傳感器是熱的，檢查傳感器中心蓋板與外殼之間的電壓，大約為15到30毫伏，如太小應(yīng)更換傳感器。

（3）TEG機(jī)箱內(nèi)的超溫關(guān)閉模塊是否正常：超溫模塊內(nèi)有八對接線端子，其中最右側(cè)一對的電壓應(yīng)為名義12V。如果電壓正常，說明模塊正常。如不正常，則進(jìn)行下面的檢測：模塊內(nèi)的6個保險管是否有一個或多個燒斷，如有燒斷請更換；如果更換了新的保險管后仍燒斷，應(yīng)檢查其對應(yīng)的熱開關(guān)；如果保險管全部正常，并且最左側(cè)一對端子的電壓正常（應(yīng)為名義24V），而其它七對端子全都沒有電壓，則說明電路板損壞。

（4）與第2條中提到的熱電偶尾端相連的繼電器尾端（與啟動關(guān)斷閥相連）的電壓是否與熱電偶尾端電壓相同，如不正常（此時已確認(rèn)超溫關(guān)閉模塊正常），則應(yīng)更換繼電器。

（5）如以上三項（熱電偶、繼電器、超溫模塊）都正常，則說明自動切斷閥損壞，需要更換。安裝新的閥門后，應(yīng)保證無任何管理道密封膠或其它雜質(zhì)進(jìn)入管道內(nèi)，同時，檢查燃料是否有泄漏。

4.3 TEG發(fā)電機(jī)輸出功率或輸出電壓過低

（1）首先對燃燒箱內(nèi)端子排上第6、7路端子間的電壓進(jìn)行檢查，確定發(fā)電機(jī)的發(fā)電單元工作正常。

（2）對發(fā)電機(jī)頂端的散熱熱管進(jìn)行檢查，在正常范圍內(nèi)，則散熱熱管工作正常。

（3）對發(fā)電機(jī)后部的限壓散熱模塊進(jìn)行檢查和測試，著重檢查限壓散熱模塊內(nèi)左、右側(cè)翅片及電子元件外觀及溫度是否存在異常，若溫度異常且能看到限壓器上部分元件有明顯燒毀痕跡，則可以判斷限壓器損壞，需要進(jìn)行更換。

5、結(jié)語

本文對TEG發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理進(jìn)行了分析，并對TEG發(fā)電機(jī)運行過程中常見故障及處理方法進(jìn)行了總結(jié)。最后，結(jié)合TEG發(fā)電機(jī)的維檢修情況對TEG發(fā)電機(jī)的日常運行維護(hù)提供了建議。