侍園園,董聰*,王文超,朱行,黃永麗,丁銘,楊鵬
(1.浙江科技學院能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系,浙江省 杭州市 310000; 2.浙江省建筑研究設(shè)計院,浙江省 杭州市 310006)
隨著化石能源的日漸枯竭及環(huán)境問題日益引起民眾關(guān)注,風能、太陽能等清潔能源得到快速發(fā)展,但其間歇性和波動性也給電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行帶來挑戰(zhàn)[1-3]。近年來溫差發(fā)電所具備的優(yōu)點受到科研人員的關(guān)注。溫差發(fā)電是一種基于塞貝克效應的發(fā)電技術(shù),無機械運動部件,結(jié)構(gòu)緊湊,維護成本低。此外,熱電材料無氣態(tài)和液態(tài)介質(zhì)存在,在整個能量轉(zhuǎn)換過程中沒有廢水和廢氣等污染物排出,是一種綠色環(huán)保的能源技術(shù)。溫差發(fā)電與太陽能發(fā)電和風力發(fā)電相比,其最大的優(yōu)點在于不受自然天氣的約束。
國內(nèi)外已有很多溫差發(fā)電方面的研究。朱凌云等[4-5]通過串聯(lián)和并聯(lián)2種方式來尋求熱電模塊組成的熱電系統(tǒng)運行最佳條件。Thankakan等[6]分別在均勻和非均勻的溫差條件下,分析了串聯(lián)、并聯(lián)以及星型連接3種工況時熱電模塊的功率、電流以及電壓特性。Zeb等[7]利用三甘醇的串聯(lián)并聯(lián)調(diào)壓增流基本原理來實現(xiàn)熱電模塊電壓電流的靈活調(diào)節(jié)以及功率最大化利用。Massaguer等[8]通過串聯(lián)并聯(lián)的方式對熱電模塊進行排列,研究2種連接方式對熱電模塊以及整個收割機電熱輸出的影響。Negash等[9]通過串聯(lián)、并聯(lián)以及組合連接形成8種不同的溫差發(fā)電片陣列配置,為不同的應用場景提供電源,不同陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)功率輸出與參考功率相比,變化幅度高達59%。Lee等[10]在723 K的溫度下,共制備72個熱電偶模塊,包括串聯(lián)和并聯(lián)連接以提高性能,使熱電偶最大效率為0.85%,電功率為2.43 mW。Xu等[11]通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式來調(diào)節(jié),從而得到所需的輸出電壓和輸出電流。Al等[12]通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式研究熱效應對電池的影響。
國內(nèi)已有學者通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式做了幾組對比性的實驗以及仿真。本文主要討論溫差發(fā)電串并聯(lián)特性,分別從同并異串、異并同串工況著手,進行系統(tǒng)的仿真分析與實驗研究,為溫差發(fā)電的實際應用提供理論基礎(chǔ)。
基于液態(tài)介質(zhì)的溫差發(fā)電系統(tǒng)是一種以液態(tài)導熱油為集熱介質(zhì)構(gòu)建的穩(wěn)態(tài)集熱系統(tǒng)。目前,實驗用的溫差發(fā)電片熱端承受的極限穩(wěn)態(tài)溫度在473 K左右,實驗用導熱油的沸點為623 K。本文設(shè)計了一個適合導熱油物性的保溫箱體,外部覆蓋一層隔熱材料,減少熱量的散失。油加熱時,熱源的放置是關(guān)鍵問題,若放置不當,可能導致油溫極不均勻,甚至產(chǎn)生上百攝氏度的溫差,因此,熱源的分布排列極為重要。該系統(tǒng)采用U形加熱管,U形加熱管簡單,熱效率高,發(fā)熱均勻。同時將多根U形加熱管交叉排布,使油受熱均勻,保證油溫整體的均勻性,U型管排布如圖1所示。
圖1 U形管排布圖 Fig. 1 U-tube layout
該系統(tǒng)針對集熱板上的溫度均勻性進行了一些改良,箱體的設(shè)計、U形加熱管和交叉排布的 排列方式都是為了整體油溫的均勻性,進而保證集熱板上的溫度均勻性。收集熱量,一方面要考慮提高利用效率,另一方面要考慮熱板上的油溫均勻性。在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在集熱片上開一些小孔,小孔的直徑不宜過大,也不宜過小,過大時集熱片集熱效果大打折扣,過小時液體流通性很差,導致集熱板上均勻性較差。改良的集熱板如圖2所示。
圖2 改良集熱板 Fig. 2 Improved collector plate
冷卻系統(tǒng)采用水冷式,水冷片材質(zhì)采用鋁,形狀為長條形。目前市場上水冷片材質(zhì)主要是銅和鋁,鋁的散熱效果好于銅。水冷效果還取決于水流速度,一般來說,水流速度越快,冷卻效果越好,因此,選取水冷片時,應盡可能不要影響水流速度,故采用長條形。實驗過程中選取調(diào)節(jié)流量泵可以觀察不同的水流流速對溫差片冷端的冷卻效果。
為了使溫差片與集熱板表面充分接觸,以及預防由于水流沖擊而導致水冷片輕微位移的情況發(fā)生,在水冷片上加一塊承重板。同時,也為壓力測試裝置搭建了一個平臺:首先,對水冷片以及承重板進行預承重;然后打開調(diào)節(jié)流量閥,不斷改變水流流速,觀察重量的變化;之后,通過不斷增加承重塊來改變溫差發(fā)電片所承受的壓力,觀察對溫差發(fā)電片內(nèi)阻、電流、電壓以及負載功率的影響。實驗平臺如圖3所示。
圖3 溫差發(fā)電實驗臺架 Fig. 3 Test bench of thermoelectric power generation
該實驗臺架具有以下功能:1)在不同壓力下,顯示溫差發(fā)電片的發(fā)電效率變化;2)在不同水流速度下,顯示溫差發(fā)電片冷端穩(wěn)態(tài)溫度變化;3)隨著溫差的不斷變化,顯示溫差發(fā)電片的發(fā)電功率變化;4)在不同串并聯(lián)狀況下,顯示溫差發(fā)電片的發(fā)電功率和效率。
實驗中,所用的溫差發(fā)電片性能參數(shù)如表1所示。溫差發(fā)電實驗臺架實物圖如圖4所示。
圖4 溫差發(fā)電實驗臺架實物圖 Fig.4 Test bench physical diagram of thermoelectric power generation
表1 溫差發(fā)電片性能參數(shù) Tab. 1 Performance parameters of thermoelectric generator
溫差發(fā)電電路模塊中,電源模塊主要由溫差發(fā)電片通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組成,根據(jù)串聯(lián)個 數(shù)對并聯(lián)行數(shù)進行分類。
為了簡化數(shù)學模型,將并聯(lián)行數(shù)分為2類,分別為Ι類行和ΙΙ類行,假設(shè)Ι類行由a個溫差發(fā)電片串聯(lián)而成,共有b行;ΙΙ類行由c個溫差發(fā)電片串聯(lián)而成,共有d行。
假定系統(tǒng)內(nèi)每一行串聯(lián)連接的溫差電組件數(shù)量相同,那么每一行溫差電組件在回路中產(chǎn)生的塞貝克電壓是相等的??們?nèi)阻為
式中:R1為Ι類行串并聯(lián)總電阻;R2為ΙΙ類行串并聯(lián)總電阻。
總電壓為
式中:U1為Ι類行串并聯(lián)總電壓;U2為ΙΙ類行串并聯(lián)總電壓;α為溫差發(fā)電片塞貝克系數(shù);ΔT為溫差發(fā)電片冷熱兩端溫差。
當系統(tǒng)接上負載RL時,負載電壓為
總電流為
式中1I、2I分別為Ι類行、ΙΙ類行電池組的總電流。 負載功率為
式(5)即為溫差發(fā)電串并聯(lián)輸出功率電阻模型,由以上分析可知:負載電阻、單個溫差發(fā)電片內(nèi)阻、溫差發(fā)電片兩端溫度以及不同串并聯(lián)狀況對溫差發(fā)電片的發(fā)電功率都存在影響[13]。
溫差發(fā)電串并聯(lián)狀況多種多樣,本研究主要尋求溫差發(fā)電片最大功率點取值條件。由于溫差發(fā)電片的串并聯(lián)情況復雜多變,因此,需要對溫差發(fā)電的多種串并聯(lián)工況進行分類,主要分為同并異串和異并同串。
2.2.1 同并異串
如圖5所示,對同并異串工況進行仿真模擬。仿真條件:塞貝克系數(shù)α=0.13 V·K?1,ΔT=10 K,溫差發(fā)電片熱端溫度Th=333 K,RL=10 Ω,并聯(lián)行數(shù)為5,并且溫差發(fā)電電池組內(nèi)每片溫差發(fā)電片受力相對均勻。
圖5 溫差發(fā)電同并異串整體態(tài)勢圖1 Fig. 5 Overall situation diagram 1 of the same parallel and different series of thermoelectric power generation
并聯(lián)行數(shù)為15,其他條件不變,仿真結(jié)果如圖6所示??梢钥闯觯S著串聯(lián)個數(shù)的增加,溫差發(fā)電電池組的總功率也隨之增加;并且,隨著Ι類行與ΙΙ類行的串聯(lián)個數(shù)的增加,溫差發(fā)電總功率以及溫差發(fā)電電池組內(nèi)所有溫差發(fā)電片功率的平均值的變化趨勢都是對稱的。電池組內(nèi)所有溫差發(fā)電片功率的平均值隨著串聯(lián)個數(shù)的增加,一開始逐漸遞增,之后遞增的幅度逐漸減弱,在達到一個峰值后,呈現(xiàn)出一個平緩的遞減趨勢。
圖6 溫差發(fā)電同并異串整體態(tài)勢圖2 Fig. 6 Overall situation diagram 2 of the same parallel and different series of thermoelectric power generation
并聯(lián)行數(shù)為25,其他條件不變,仿真結(jié)果如圖7所示。由圖5—7可知,隨著并聯(lián)行數(shù)的增加,溫差發(fā)電電池組的總功率變化趨勢基本上相同,遞增幅度是隨著Ι類與ΙΙ類并聯(lián)行數(shù)增加而加快。
圖7 溫差發(fā)電同并異串整體態(tài)勢圖3 Fig. 7 Overall situation diagram 3 of the same parallel and different series of thermoelectric power generation
2.2.2 異并同串
對異并同串工況進行仿真模擬,仿真結(jié)果如圖8所示。仿真條件:塞貝克系數(shù)α=0.13 V·K?1,ΔT=10 K,Th=333 K,RL=10 Ω,并且溫差發(fā)電電池組內(nèi)每片溫差發(fā)電片受力相對均勻。
該模型中Ι類行與ΙΙ類行的并聯(lián)行數(shù)作為變量,由圖8可知,隨著Ι類行與ΙΙ類行并聯(lián)行數(shù)的增加,溫差發(fā)電電池組的總功率和單個溫差發(fā)電片功率也隨之增加,并且溫差發(fā)電總功率以及溫差發(fā)電電池組內(nèi)所有溫差發(fā)電片功率的平均值的變化趨勢相似,又稍有不同。溫差發(fā)電電池組內(nèi)所有溫差發(fā)電片功率的平均值隨著Ι類行與ΙΙ類行的并聯(lián)行數(shù)的增加,一開始大幅度遞增,之后 遞增的幅度逐漸減弱,在達到一個峰值后,呈現(xiàn)出一個平緩的遞減趨勢。
圖8 溫差發(fā)電異并同串整體態(tài)勢圖 Fig. 8 Overall situation diagram of the same series and different parallel of thermoelectric power generation
實驗中采用多次測量取平均值的方法,出現(xiàn)極個別波動較大的數(shù)值直接移除。因為溫度和壓力對內(nèi)阻值會產(chǎn)生影響,因此采用控制變量法,把溫度控制在一定范圍之內(nèi),本實驗溫度控制在333 K,波動范圍不超過0.4 K,基本不會影響測量結(jié)果。壓力的控制主要在于壓力的均勻分布,根據(jù)溫差發(fā)電片的個數(shù)相應地增加重量,確保承重板上各部分壓力相對均勻。
在類行與類行的串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)相等的情況下,觀察串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對總內(nèi)阻、開路電壓、電流、負載功率以及單個溫差發(fā)電片功率的影響規(guī)律,結(jié)果分別如圖9—13所示。
由圖9可知:隨著串聯(lián)個數(shù)的增加,總內(nèi)阻基本上以等差數(shù)列呈遞增趨勢[14];隨著并聯(lián)行數(shù)的增加,總內(nèi)阻基本上呈遞減趨勢,遞減的幅度逐漸減小,最后趨于平穩(wěn)。在誤差范圍之內(nèi),內(nèi) 阻實測值變化規(guī)律與測量值非常相近,但是個別阻值變化波動較大,主要是由于受到測量儀器精準度的影響。
圖9 串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對總內(nèi)阻的影響 Fig. 9 Influence of serial number and parallel lines on total internal resistance
由10可知:隨著串聯(lián)個數(shù)的增加,開路電壓呈遞增趨勢,遞增的幅度逐漸減小,最后趨于平穩(wěn);隨著并聯(lián)行數(shù)的增加,開路電壓呈遞增趨勢,遞增的幅度逐漸減小,最后趨于平穩(wěn)[15]。在誤差允許的范圍內(nèi),實際測量所得的開路電壓值波動范圍較小,與仿真值非常接近。
由圖11可知:隨著串聯(lián)個數(shù)的增加,電流呈遞增趨勢,遞增的幅度逐漸減小,最后趨于平穩(wěn);隨著并聯(lián)行數(shù)的增加,電流呈遞增趨勢,遞增的幅度逐漸減小,最后趨于平穩(wěn)[16]。實際電流測量值與仿真值變化趨勢基本相同,波動較小,實際測量值普遍比仿真值小,主要是由于受測量電路中一些導線、元器件等阻值影響。
圖11 串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對電流的影響 Fig. 11 Influence of serial number and parallel lines on current
由圖12可知:隨著串聯(lián)個數(shù)的增加,負載功率呈遞增趨勢;隨著并聯(lián)個數(shù)的增加,負載功率呈遞增趨勢,遞增的幅度隨著串聯(lián)個數(shù)的增加而增加[17];實際功率值與仿真值基本相同。
圖12 串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對負載功率的影響 Fig. 12 Influence of serial number and parallel lines on load power
圖10 串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對開路電壓的影響 Fig. 10 Influence of serial number and parallel lines on open circuit voltage
由圖13可知:隨著串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)的增加,單個溫差發(fā)電片的功率都存在一個峰值;其功率一開始呈遞增趨勢,達到一個峰值后,呈遞減趨勢;每條曲線的峰值取值條件為串聯(lián)個數(shù)與并聯(lián)行數(shù)相同。
圖13 串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對每個溫差 發(fā)電片功率的影響 Fig. 13 Influence of serial number and parallel lines on the average power of thermoelectric cells
提出的基于液態(tài)介質(zhì)的溫差發(fā)電串并聯(lián)性能測試系統(tǒng)通過對集熱板的改良以及對U形加熱管的交叉排列分布,大大改善了集熱板表面溫度均勻性;冷卻系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)式流量水泵,便于研究水流流速對冷端穩(wěn)態(tài)溫度的影響;集熱板的大面積滿足了串并聯(lián)的各種工況研究。具體結(jié)論如下:
1)串并聯(lián)狀況錯綜復雜,但是,最大功率值的取值條件只有一個:在低溫情況下,每行串聯(lián)個數(shù)相同,串聯(lián)個數(shù)與并聯(lián)行數(shù)相同,內(nèi)外阻值相同。
2)同并異串工況時,串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)對溫差發(fā)電功率的影響相同。隨著Ι類行與ΙΙ類行串聯(lián)個數(shù)和并聯(lián)行數(shù)的增加,溫差發(fā)電電池組的總功率也隨之增加;溫差發(fā)電電池組內(nèi)所有溫差發(fā)電片功率的平均值的最大值所對應的Ι類行與ΙΙ類行的串聯(lián)個數(shù)隨著Ι類行與ΙΙ類行的并聯(lián)行數(shù)的增加而逐漸增加。
3)同串異并工況時,隨著Ι類行與ΙΙ類行并聯(lián)行數(shù)的增加,溫差發(fā)電電池組的總功率也隨之增加;溫差發(fā)電電池組內(nèi)所有溫差發(fā)電片功率的平均值最大功率點所對應的Ι類行與ΙΙ類行的并聯(lián)行數(shù)隨著串聯(lián)個數(shù)的增加而增加,這樣有利于溫差發(fā)電片大面積、高效率利用。
4)在不同的熱端溫度條件下,溫差片內(nèi)部熱阻以及與熱端、冷端熱阻的變化規(guī)律是影響最大功率取值的一個重要因素。