采用生物質(zhì)燃料的溫差發(fā)電熱電聯(lián)供系統(tǒng)

李國(guó)能，畢 琛，朱凌云，鄭友取

（浙江科技學(xué)院 能源與環(huán)境系統(tǒng)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(shí)近30億人使用生物質(zhì)爐進(jìn)行炊事、取暖和照明[2]。生物質(zhì)燃料可就地取材，在生命周期內(nèi)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(dá)到約792 mg/m3[3]。因此，基于生物質(zhì)燃料的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)可有效規(guī)避供熱管網(wǎng)建設(shè)，擺脫對(duì)化石燃料的依賴，有效利用生物質(zhì)廢棄物，應(yīng)用前景廣闊。此外，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重自然災(zāi)害后，如何就地便捷地獲取一定電力供應(yīng)，仍然是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，研究分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有重要的民生和科學(xué)研究意義。

塞貝克熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今，在航天和軍事領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的接點(diǎn)在不同溫差的條件下產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，其ZT值（優(yōu)值）不斷提高，一般地，當(dāng)ZT=1.0時(shí)，系統(tǒng)發(fā)電效率在5%左右，進(jìn)入實(shí)用階段；當(dāng)ZT=2.0時(shí)，發(fā)電效率在15%左右，可中等規(guī)模應(yīng)用；當(dāng)ZT=3.0時(shí)，發(fā)電效率在25%左右，可大規(guī)模應(yīng)用。目前已開發(fā)出ZT=2.6的材料（SeSn），但是量產(chǎn)的溫差發(fā)電材料的ZT值約為1.0。溫差發(fā)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(fā)電模塊內(nèi)部的電堆數(shù)；αP和αN分別為P極和N極的塞貝克系數(shù)。此時(shí)溫差發(fā)電模塊的內(nèi)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(zhǎng)度；z為坐標(biāo)方向，零點(diǎn)位于冷端，往熱端方向?yàn)?z方向。當(dāng)外部負(fù)載電阻為RE時(shí)，其工作電流ITE為：

假設(shè)溫差發(fā)電模塊的物性參數(shù)不隨時(shí)間變化時(shí)，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(dǎo)熱系數(shù)；式（5）右側(cè)的3項(xiàng)依次代表帕爾貼熱、傅里葉導(dǎo)熱和焦耳熱。

溫差發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，以下對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)要的回顧。

在國(guó)外，Nuwayhid等人[4-6]在火爐上采用溫差發(fā)電片，實(shí)現(xiàn)給無電區(qū)域或經(jīng)常斷電區(qū)域供電，原型機(jī)采用空氣自然對(duì)流散熱和熱管散熱，發(fā)電功率在 1～4.2 W[4，6]。 Lertsatitthanakorn[7]在火爐上添加溫差發(fā)電片，采用空氣自然對(duì)流散熱的方式，發(fā)電功率為2.4 W。Champier等人設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電機(jī)采用水冷散熱，最大輸出功率在6～7.6 W[8，9]，熱電轉(zhuǎn)換效率約為2%。Rinalde等人[10]設(shè)計(jì)了一種強(qiáng)制流動(dòng)水冷式溫差發(fā)電機(jī)，最大發(fā)電功率為12.3 W，其中一部分用于驅(qū)動(dòng)水泵。Najjar等人[11]對(duì)傳統(tǒng)爐灶進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，總發(fā)電功率為7.8 W。Montecucco等人[12-13]設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電機(jī)采用了最大功率點(diǎn)追蹤功能的直流穩(wěn)壓器，發(fā)電功率達(dá)到27 W，熱電轉(zhuǎn)換效率為5%。Mal等人[14]設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電機(jī)在采用不同溫差發(fā)電片時(shí)對(duì)外供電2～4 W。此外，2016年美國(guó)BioLite公司推出了商品化的BaseCamp火爐驅(qū)動(dòng)型溫差發(fā)電機(jī)，發(fā)電功率為5 W，重量為8.16 kg[15]。在國(guó)內(nèi)，溫差發(fā)電的研究主要集中在理論和材料制備研究上。在應(yīng)用領(lǐng)域，馬洪奎和高慶[16]采用電加熱板和水冷散熱器測(cè)試得出一個(gè)溫差發(fā)電機(jī)的功率負(fù)載曲線,在工作溫差為170℃時(shí)，發(fā)電功率為8.9 W。筆者等人[17-20]設(shè)計(jì)的若干便攜式溫差發(fā)電爐，發(fā)電功率為2～12.9 W。

綜上所述，基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率較低，一般不超過5%，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。然而，該技術(shù)在分布式熱電聯(lián)供方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)：首先，溫差發(fā)電技術(shù)是純固態(tài)的發(fā)電技術(shù)，維護(hù)簡(jiǎn)單，不依賴氣候，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；其次，該發(fā)電技術(shù)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(yōu)質(zhì)來源；最后，該技術(shù)可脫離電網(wǎng)，擺脫化石燃料，就地實(shí)現(xiàn)分布式熱電聯(lián)供。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，提出了一種新型的集熱器，制作樣機(jī)并完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，詳細(xì)研究其供電特性和供熱特性，采用理論模型分析驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究結(jié)果可充實(shí)已有研究工作，為后續(xù)研究人員提供有意義的參考。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機(jī)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示，主要包括溫差發(fā)電機(jī)、水箱、水泵、暖氣片、供暖風(fēng)扇和電池組。電池組位于電能管理系統(tǒng)內(nèi)，用于平衡內(nèi)部用電和外部用電。溫差發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、實(shí)物圖、電路圖和樣機(jī)實(shí)物如圖2所示。溫差發(fā)電機(jī)由2個(gè)Ω形狀的紫銅板對(duì)稱安裝，組成一個(gè)集熱器，同時(shí)提供燃燒室和溫差發(fā)電模塊的安裝平面。24個(gè)溫差發(fā)電模塊均勻安裝在集熱器的4個(gè)安裝平面，每個(gè)平面安裝6個(gè)溫差發(fā)電模塊作為一組溫差發(fā)電單元。每個(gè)溫差發(fā)電單元內(nèi)部串聯(lián)，4個(gè)溫差發(fā)電單元之間并聯(lián)。溫差發(fā)電模塊型號(hào)為TEG-126T200，耐溫200℃，半導(dǎo)體材料為碲化鉍，電堆數(shù)為126，尺寸為40 mm×40 mm×3.8 mm。溫差發(fā)電模塊冷端貼合安裝鋁質(zhì)水冷散熱器，尺寸為240 mm×40 mm×12 mm，冷卻工質(zhì)為水，裝載在水箱內(nèi)，由水泵進(jìn)行循環(huán)。溫差發(fā)電機(jī)的出水管路中安裝暖氣片，由供暖風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，提供清潔暖風(fēng)。與此同時(shí)，溫差發(fā)電機(jī)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(zhì)燃料溫差發(fā)電機(jī)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)

圖2 （a）所示的集熱器區(qū)別于已有相關(guān)研究的集熱器，該集熱器吸收了整個(gè)燃燒室區(qū)域的輻射傳熱熱流率，而已有的相關(guān)研究主要依靠一個(gè)或多個(gè)伸入火焰區(qū)域的導(dǎo)熱體吸收的對(duì)流傳熱熱流率。因此，已有相關(guān)研究難以集成數(shù)十個(gè)溫差發(fā)電模塊進(jìn)行熱電聯(lián)供。本文設(shè)計(jì)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)由1個(gè)室外機(jī)和1個(gè)室內(nèi)機(jī)組成，如圖2（d）所示。室外機(jī)尺寸為0.35 m×0.35 m×0.5 m，質(zhì)量為32 kg，室內(nèi)機(jī)尺寸為0.35 m×0.2 m×0.25 m，質(zhì)量為4.8 kg。在實(shí)際測(cè)試時(shí)的燃料為木炭或薪柴，溫度傳感器為K型熱電偶，結(jié)合Agilent 34 970 A數(shù)據(jù)采集儀采集溫度信號(hào)，溫差發(fā)電機(jī)的功率負(fù)載特性采用Prodigit 3311F電子負(fù)載測(cè)試，其電壓輸入范圍為0～60 V，精度為0.5%。

本文設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)如圖3所示。溫差發(fā)電模塊組（4組溫差發(fā)電單元并聯(lián)，每個(gè)單元內(nèi)6個(gè)溫差發(fā)電模塊串聯(lián)）的電能接入1個(gè)電能測(cè)試儀EET，經(jīng)過第1個(gè)穩(wěn)壓器（DDC-0）同時(shí)給 2 個(gè)電池組（BT-1， BT-2）和 2個(gè)穩(wěn)壓器（DDC-1，DDC-3）供電，DDC-3給外部負(fù)載和內(nèi)部?jī)x器儀表供電，DDC-1同時(shí)給1個(gè)穩(wěn)壓器（DDC-2）和冷卻水泵供電，DDC-2同時(shí)給溫控儀和電能管理系統(tǒng)的散熱風(fēng)扇供電，溫控儀控制鼓風(fēng)風(fēng)扇的工作。

圖2 生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機(jī)示意及樣機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 供電測(cè)試結(jié)果及分析

圖3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)

為測(cè)試系統(tǒng)的供電能力，用電子負(fù)載代替電能管理系統(tǒng)中的電池組，以測(cè)試系統(tǒng)的充電能力。在測(cè)試供電能力時(shí)，系統(tǒng)的水泵、供暖風(fēng)扇和儀器儀表的電能全部由發(fā)電系統(tǒng)自供電和自維持（內(nèi)部總耗電14.6 W），即發(fā)電機(jī)多余的電能通過電子負(fù)載耗散，以測(cè)試供電能力，從而配置合適的電池組進(jìn)行儲(chǔ)能。圖4和圖5分別給出了2組測(cè)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(fù)載電壓Uld、負(fù)載功率Pld和負(fù)載電流Ild隨負(fù)載大小的變化規(guī)律。值得注意的是，熱端溫度并不是維持恒定的設(shè)定值（150℃ 或180℃），而是在一定范圍內(nèi)輕微波動(dòng)，這是由于溫控儀設(shè)有溫控回差造成的，用于避免溫控儀頻繁動(dòng)作。

由圖4和圖5可見，熱端溫度為150℃和180℃時(shí)對(duì)應(yīng)的平均工作溫差為95℃和112℃，對(duì)應(yīng)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(shí)也可作為生活熱水來源。此外，隨著負(fù)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(shí)的發(fā)電電能為15.2 Wh和22.2 Wh。作為參考，一個(gè)智能手機(jī)的電池儲(chǔ)電電能約為10 Wh，因此，該發(fā)電系統(tǒng)可以為電子產(chǎn)品供電，但無法為大型用電器供電。

圖4 熱端溫度為150℃時(shí)的溫差發(fā)電機(jī)功率負(fù)載特性

圖5 熱端溫度為180℃時(shí)的溫差發(fā)電機(jī)功率負(fù)載特性

2.2 供熱測(cè)試結(jié)果及分析

為測(cè)試系統(tǒng)的供熱性能和供熱效果，聯(lián)合杭州濱江某高新技術(shù)企業(yè)在新疆烏魯木齊某山山頂開展供熱實(shí)驗(yàn)研究，此時(shí)所有供電設(shè)施由發(fā)電機(jī)提供，帳篷由企業(yè)提供，重點(diǎn)測(cè)試本文設(shè)計(jì)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供熱能力和帳篷的保溫性能。測(cè)試空間的平面圖和測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，室內(nèi)面積25 m2，帳篷外表面積為52 m2，室內(nèi)布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，水箱和室內(nèi)機(jī)放置在室內(nèi)，向室內(nèi)供熱；室外機(jī)位于室外，距離帳篷3 m；燃料為木炭，水源通過融雪獲得；測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程中室外環(huán)境溫度介于-18℃～-15℃。

圖6 熱電聯(lián)供實(shí)地測(cè)量示意及帳篷實(shí)物

溫差熱電聯(lián)供系統(tǒng)穩(wěn)定后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度如表1所示。由表1可見，采用本文設(shè)計(jì)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)后，室內(nèi)溫度維持在15℃以上，室內(nèi)外溫差達(dá)到30℃。為測(cè)量實(shí)際的供熱功率，采用德圖手持式風(fēng)速計(jì)測(cè)量暖氣片出口的風(fēng)速和溫度，從而計(jì)算出暖風(fēng)的質(zhì)量流率和供熱功率，結(jié)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(chǔ)水罐存在自然散熱熱流率，根據(jù)其外表面積和自然對(duì)流換熱系數(shù)（10 W/m2·K）可計(jì)算得出其散熱熱流率為84 W，因此，室內(nèi)的總供熱功率為1 242 W。綜合上述測(cè)試結(jié)果，發(fā)電總功率為36.8 W，供熱總功率為1 242 W，由此可計(jì)算出溫差熱電效率為2.88%，低于溫差發(fā)電模塊的工作效率（約為5%），這是由于系統(tǒng)集成后溫差發(fā)電機(jī)不可避免地存在界面熱阻，以及集熱器溫度分布不均勻?qū)е聹夭畎l(fā)電單元之間的內(nèi)耗造成的。

表1 室內(nèi)溫度分布

表2 暖氣片加熱功率的測(cè)量結(jié)果

表3 溫差發(fā)電模塊尺寸和物性參數(shù)

2.3 理論分析

為驗(yàn)證分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用式（1）—（5）計(jì)算系統(tǒng)的發(fā)電功率和供熱功率，采用的物性參數(shù)如表3所示，其中Atot為溫差發(fā)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(shí)際的工作溫差為[21-22]：

測(cè)量溫差為95℃，根據(jù)已有文獻(xiàn)的研究結(jié)果r=0.2，而w=Lcm/L，因此，實(shí)際工作溫差為86.1℃。根據(jù)式（1）可計(jì)算獲得單個(gè)溫差發(fā)電模塊的電壓VOC為4.459 V。根據(jù)式（2）和接觸電阻值[21-22]可計(jì)算獲得單個(gè)溫差發(fā)電模塊的內(nèi)阻為4.07Ω，因此，系統(tǒng)的最大工作電流為：

式中：NTE為每個(gè)發(fā)電單元的溫差發(fā)電模塊數(shù)；Ng為并聯(lián)的溫差發(fā)電單元數(shù)。

由圖 2（c）可見， NTE=6， Ng=4。 因此， 發(fā)電功率為：

除計(jì)算發(fā)電功率外，采用式（4）和式（5）計(jì)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(dǎo)熱；QJ為焦耳熱；Qtot為總功率。由表4可見，傅里葉導(dǎo)熱熱流率占主，但是對(duì)發(fā)電沒有貢獻(xiàn)；真正起發(fā)電作用的是帕爾貼效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）導(dǎo)致的熱流率在冷熱兩端的差值剛好等于系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電功率。綜上所述，在熱端工作溫度為150℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)電量為29.8 W，理論計(jì)算結(jié)果為29.3 W；實(shí)驗(yàn)供熱功率為1 242 W，理論計(jì)算結(jié)果為1 312 W，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

表4 熱端和冷端的熱流功率

3 結(jié)語(yǔ)

通過設(shè)計(jì)一種基于生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機(jī)的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，提出了一種新型的集熱器，制作樣機(jī)并完成了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該熱電聯(lián)供系統(tǒng)可提供36.8 W的電力和1 242 W清潔暖風(fēng)，其中22.2 W電力可對(duì)外輸出，為小型電子產(chǎn)品供電。此外，采用理論模型計(jì)算了所設(shè)計(jì)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。理論模型分析結(jié)果揭示了該溫差熱電聯(lián)供系統(tǒng)已充分利用了每一個(gè)溫差發(fā)電模塊的發(fā)電能力，基于輻射換熱的集熱器是利用溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行熱電聯(lián)供的關(guān)鍵。