基于集熱板優(yōu)化的溫差發(fā)電性能研究

杜海波,董 聰,葉陽輝,朱 行,劉萬琦

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,杭州 310023)

溫差發(fā)電是一種基于塞貝克效應(yīng)且可將余熱、廢熱等熱能轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電技術(shù)[1]。近年來隨著燃油價(jià)格的飆升和環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格,越來越多的機(jī)構(gòu)和研究人員開始關(guān)注溫差發(fā)電技術(shù),一些工程應(yīng)用案例表現(xiàn)出可觀的環(huán)境收益和經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。由于單個(gè)溫差發(fā)電片的供電量很小,通常將溫差發(fā)電片以串并聯(lián)的方式供給負(fù)載電路[4-5]。如何提升溫差發(fā)電裝置的總輸出功率和發(fā)電效率是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)。Sootsman等[6]通過最大化功率因數(shù)來提高熱電材料的品質(zhì)因數(shù),成功開發(fā)了高功率性能的熱電材料。Cózar等[7]將1～100片溫差發(fā)電片采用不同的串并聯(lián)方式組成溫差發(fā)電模塊,發(fā)現(xiàn)溫差發(fā)電片的不同串并聯(lián)方式會(huì)影響總輸出功率,且串并聯(lián)組合的方式比純串聯(lián)或純并聯(lián)產(chǎn)生的總功率要高。Sahin等[8]的研究發(fā)現(xiàn)溫差發(fā)電模塊熱電偶臂的形狀對(duì)熱電性能和效率有影響,但隨著外部負(fù)載電阻的增加,其影響越來越小。陳偉等[9]設(shè)計(jì)了一種帶有錯(cuò)排擾流片的六邊形換熱通道溫差發(fā)電裝置,提高了裝置內(nèi)部的傳熱效率和發(fā)電效率。在溫差發(fā)電技術(shù)的工程應(yīng)用方面,Li等[10]提出了集成爐灶式的溫差發(fā)電裝置,以便為離網(wǎng)地區(qū)提供應(yīng)急供電配套。王莉[11]設(shè)計(jì)了一種可用于汽車尾氣廢熱回收的溫差發(fā)電系統(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明其輸出功率比傳統(tǒng)系統(tǒng)更高。Aravind等[12]提出了一種集成微型燃燒器的小型便攜式微型溫差發(fā)電裝置,并對(duì)其性能進(jìn)行了一系列的測試和改善。在溫差發(fā)電裝置的外部影響因素方面,Ma等[13]研究了熱端溫度對(duì)溫差發(fā)電片塞貝克系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)塞貝克系數(shù)隨著熱端溫度的升高而降低。Gou等[14]根據(jù)溫差發(fā)電原理建立了系統(tǒng)模型,并搭建了對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)裝置來分析溫差對(duì)熱電性能的影響,結(jié)果表明熱電性能隨著溫差的增大而提升。Mccarty等[15]建立了典型的溫差發(fā)電數(shù)學(xué)模型,研究外部負(fù)載電阻與系統(tǒng)內(nèi)阻的關(guān)系對(duì)輸出功率的影響,發(fā)現(xiàn)合適的電阻比可以得到最大化輸出功率。Wu等[16]研制了一種平板式熱管散熱器代替原始熱端散熱板,通過抑制局部高溫而提高溫差發(fā)電裝置熱端整體的溫度均勻性,結(jié)果表明其發(fā)電效率得到極大的提升。

從上述研究可知,提升溫差發(fā)電裝置的熱電效率是研究者的共同目標(biāo),但是很少有研究人員從熱電模塊的熱端溫度均勻性方面進(jìn)行分析研究。因此,我們將重點(diǎn)圍繞新型多孔集熱板來搭建溫差發(fā)電試驗(yàn)裝置,建立基于有限元的傳熱和溫差發(fā)電模型,并采用試驗(yàn)對(duì)比模擬方法來分析熱端溫度均勻性對(duì)回路電流、負(fù)載電壓及負(fù)載功率等熱電性能的影響。

1 仿真模擬與數(shù)據(jù)分析

溫差發(fā)電仿真模擬技術(shù)具有成本低、效率高及安全性高等優(yōu)點(diǎn),其作為狹義試驗(yàn)研究的輔助手段在溫差發(fā)電熱電性能測試中發(fā)揮著積極的作用。本研究使用ANSYS有限元分析軟件的Workbench平臺(tái),對(duì)設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行傳熱和熱電數(shù)值模擬分析。

1.1 熱端傳熱仿真模擬

溫差發(fā)電裝置3D模型按照與試驗(yàn)等比例建模,主要由U形加熱管、液態(tài)流體域及2塊不同結(jié)構(gòu)的集熱板組成,使用Mesh模塊的Proximity、Curvature和Cutcell網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)網(wǎng)格的可靠性進(jìn)行分析測試,觀察集熱板表面的平均溫度,當(dāng)平均溫度在332 K左右時(shí),平均溫度不再隨著網(wǎng)格數(shù)的變化而劇烈震蕩,網(wǎng)格可靠性分析如圖1所示,其中,X軸表示網(wǎng)格單元數(shù),Y軸表示模型上表面平均溫度。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度后,最終選取約4.6×106個(gè)網(wǎng)格單元作為仿真模型,溫差發(fā)電裝置3D模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 網(wǎng)格可靠性分析

圖2 溫差發(fā)電裝置3D模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

溫差發(fā)電裝置3D模型的流體域工質(zhì)物性參數(shù)設(shè)置與試驗(yàn)采用的導(dǎo)熱油一致,集熱板材料設(shè)為6061鋁合金,環(huán)境溫度定義為293.2 K。忽略流體域與外界的熱量交換;模型箱體外部包裹保溫材料,模型箱體外部與外界的熱量交換近似為零。考慮到試驗(yàn)環(huán)境為穩(wěn)定無空氣流動(dòng)的室內(nèi),由于試驗(yàn)裝置周圍接觸空氣的溫度會(huì)隨著裝置溫度的升高而上升,將集熱板與空氣之間的換熱系數(shù)擬合為溫度的二次函數(shù)。

分別對(duì)333.2、353.2、373.2、393.2、413.2 K這5種熱端溫度進(jìn)行求解,得到5種不同工況下集熱板上表面的溫度分布情況,其分布云圖如圖3所示。

圖3 5種熱端工況下集熱板溫度分布云圖

圖3中的XZ平面由普通集熱板和多孔集熱板組成,YZ平面的左邊為多孔集熱板上表面的溫度分布云圖,右邊為普通集熱板上表面的溫度分布云圖。從圖3可以明顯看出,在5種熱端溫度工況下左邊的溫度均勻性都比右邊的好很多,說明多孔集熱板結(jié)構(gòu)能提升其表面的溫度均勻性。

1.2 溫差發(fā)電仿真模擬

采用Workbench里的Thermal-Electric模塊對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬研究,參考文獻(xiàn)[17]的有限元模型,根據(jù)溫差發(fā)電片內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu),從基礎(chǔ)的P-N結(jié)熱電偶臂開始構(gòu)建了溫差發(fā)電片模型,該模型的P-N結(jié)之間采用純串聯(lián)結(jié)構(gòu),溫差發(fā)電等效模型如圖4所示。

圖4 溫差發(fā)電等效模型

邊界條件和材料特性設(shè)置如下:1)溫差發(fā)電片上下導(dǎo)熱面材料為6061鋁合金,P-N熱電偶臂材料為碲化鉍,熱電偶臂之間的連接材料采用銅,兩端的包裹材料為介電陶瓷。2)熱電材料的選擇直接影響溫差發(fā)電片的性能,材料的塞貝克系數(shù)、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱系數(shù)均會(huì)隨著溫度的變化而改變,采用式(1)～(3)熱電偶臂的材料參數(shù)公式[18]進(jìn)行計(jì)算:

(1)

(2)

(3)

式(1)～(3)中:Tavg為熱端溫度和冷端溫度的平均值,K;αpn為塞貝克系數(shù),V/K;Rpn為導(dǎo)電率,Ω·m;λpn為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)。

分別計(jì)算每個(gè)溫度點(diǎn)下熱電材料的性能參數(shù)并賦予其對(duì)應(yīng)的P-N結(jié)。在施加溫度載荷時(shí),冷端溫度設(shè)為293.2 K。將熱端區(qū)域等分為面積相同的4塊,分別對(duì)4塊區(qū)域施加均勻的溫度載荷(4塊區(qū)域設(shè)定相同的溫度值)和不均勻的溫度載荷(4塊區(qū)域設(shè)定不同的溫度值),2種仿真工況的平均溫度相同。2種仿真工況熱載荷參數(shù)值見表1。

表1 2種仿真工況熱載荷參數(shù)值

溫度載荷均勻分布效果如圖5所示,溫度載荷不均勻分布效果如圖6所示。

圖5 溫度載荷均勻分布效果

圖6 溫度載荷不均勻分布效果

2種熱載荷工況下,溫差發(fā)電模塊熱電特性對(duì)比如圖7所示。由圖7可知,當(dāng)溫差發(fā)電模塊的冷熱端之間的溫差逐漸增大時(shí),2種熱載荷工況下產(chǎn)生的負(fù)載電壓、回路電流和負(fù)載功率均隨之增大。在熱端載荷分布均勻的情況下,溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的負(fù)載電壓、回路電流及負(fù)載功率等熱電性能都高于熱載荷分布不均勻時(shí)所對(duì)應(yīng)的值,且其差值隨著溫差的增大而逐漸變大。

綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算機(jī)性能和仿真分析時(shí)間,我們采用32對(duì)P-N結(jié)組成的簡化溫差發(fā)電片模型進(jìn)行仿真模擬,將P-N結(jié)放大到126對(duì)和溫差片串并聯(lián)組裝以放大電壓,可得到不同溫差下,多孔集熱板相對(duì)于普通集熱板上溫差發(fā)電模塊的熱電性能的提升率,多孔集熱板模擬熱電性能提升率如圖8所示。多孔集熱板相對(duì)于普通集熱板溫差發(fā)電模塊的熱電性能有所提升。多孔集熱板熱電性能的提升率隨溫差的提高而降低?；芈冯娏鞯男侍嵘荌為4.44%～6.66%,平均提升5.20%;負(fù)載電壓的效率提升ηU為4.44%～6.66%,平均提升5.20%;輸出功率的效率提升ηP為9.08%～13.80%,平均提升10.69%。

2 溫差發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)

為確保試驗(yàn)儀器調(diào)試更方便,安裝更靈活,溫差發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)主要由熱源、冷源、溫差發(fā)電裝置及測試儀器組成,其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1—溫控箱;2—電阻箱;3—電能檢測儀;4—流量計(jì);5—冷卻水箱;6—水泵;7—溫差發(fā)電裝置;8—測溫表。

為保證熱源的穩(wěn)定性,試驗(yàn)系統(tǒng)中的熱源由溫控箱控制的8根250 W/220 V U形加熱管組成,加熱管均勻地排布在溫差發(fā)電裝置的導(dǎo)熱槽中以保障熱源的均勻性。導(dǎo)熱油用來傳導(dǎo)加熱管的熱量,為集熱板提供穩(wěn)定的熱量。L-QB300導(dǎo)熱油的物性參數(shù)見表2。

表2 L-QB300導(dǎo)熱油的物性參數(shù)

冷源采用冷卻水循環(huán),由冷卻水箱、長條形鋁制水冷片、流量計(jì)和冷卻水泵等組成,實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電裝置的冷端循環(huán)。為降低溫差發(fā)電片的接觸熱阻,在溫差發(fā)電片與集熱板之間,以及水冷片與溫差發(fā)電片之間放置導(dǎo)熱性能良好的石墨紙。溫差發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖10所示,外部包裹保溫層以減少箱體的熱損失,同時(shí)也可增強(qiáng)試驗(yàn)裝置的安全性。

1—石墨紙;2—水冷片;3—溫差發(fā)電片;4—普通集熱板;5—箱體;6—支撐蓋;7—U形加熱管;8—多孔集熱板。

集熱板由2塊材料相同、尺寸一樣的鋁合金板組成,2塊鋁合金板分別加工成不同的翅片結(jié)構(gòu):普通集熱板(common heat collecting plate,以下簡稱CC)的主翅片保持平板樣式,如圖11(a)和(c)所示;多孔集熱板(porous heat collecting plate,以下簡稱PC)的主翅片采用陣列鉆孔結(jié)構(gòu),用于增強(qiáng)導(dǎo)熱油與多孔集熱板之間的熱交換,改善多孔集熱板上的溫度均勻性,如圖11(b)和(d)所示。

圖11 多孔集熱板與普通集熱板對(duì)比

溫差發(fā)電模塊采用尺寸為40 mm×40 mm×4 mm,型號(hào)為TEP1-126T200的商用溫差發(fā)電片組。TEP1-126T200溫差發(fā)電片具體性能參數(shù)見表3。

表3 TEP1-126T200溫差發(fā)電片具體性能參數(shù)

綜合考慮試驗(yàn)裝置的輸出功率、試驗(yàn)效果、溫差發(fā)電片的分布均勻性、水冷片的長度及水冷效果等因素,本試驗(yàn)中每個(gè)溫差發(fā)電模塊由10片溫差發(fā)電片串聯(lián)組成,溫差發(fā)電片分布如圖12所示。

圖12 溫差發(fā)電片分布

針對(duì)普通集熱板和多孔集熱板,在相同的試驗(yàn)裝置中對(duì)不同熱端溫度和溫差條件下的溫度均勻性熱電性能參數(shù)進(jìn)行測量,記錄2種集熱板中所采集的回路電流、負(fù)載電壓及負(fù)載功率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。溫差發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物如圖13所示。

圖13 溫差發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物

3 試驗(yàn)測試與數(shù)據(jù)分析

3.1 集熱板表面溫度采集

將油溫分別控制在333.2、353.2、373.2、393.2、413.2 K,在2塊集熱板上選取均勻分布的36個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行測量,集熱板表面溫度測量點(diǎn)分布如圖14所示。

圖14 集熱板表面溫度測量點(diǎn)分布

采集上述5種溫度條件下36個(gè)采樣點(diǎn)在集熱板表面的溫度數(shù)據(jù),使用多項(xiàng)式插值法得到集熱板表面的溫度分布云圖,如圖15所示。

在圖15中,以y=300 mm垂直于y軸的平面為界限,y=0～300 mm部分為普通集熱板上的溫度分布云圖,y=300～600 mm部分為多孔集熱板上的溫度分布云圖。對(duì)比分析可知,在5組溫度數(shù)據(jù)中,多孔集熱板上表面的溫度均勻性明顯優(yōu)于普通集熱板。進(jìn)一步分析所測數(shù)據(jù),將2種集熱板上表面溫度的平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差做對(duì)比,不同結(jié)構(gòu)集熱板上的溫度均勻性對(duì)比如圖16所示。

圖15 5種溫度條件下集熱板表面溫度分布云圖

圖16 不同結(jié)構(gòu)集熱板上的溫度均勻性對(duì)比

在圖16中,T1為設(shè)定油溫,T2為平均溫度,s2為方差,s為標(biāo)準(zhǔn)差。比較明顯的是,2塊不同結(jié)構(gòu)集熱板上的平均溫度基本上相同,但在方差和標(biāo)準(zhǔn)差上有較大的差異,說明2塊集熱板上存在溫度分布均勻性不同的差異。方差和標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量數(shù)據(jù)的離散程度,方差和標(biāo)準(zhǔn)差越大,被測點(diǎn)的溫度起伏越大,溫度均勻性越差。從圖16中可知,2種不同結(jié)構(gòu)集熱板表面溫度的方差和標(biāo)準(zhǔn)差隨溫度的變化規(guī)律保持一致,在峰值之前都隨著油溫的升高而升高。普通集熱板上的方差和標(biāo)準(zhǔn)差在溫度為373.2 K時(shí)均出現(xiàn)峰值,而多孔集熱板上的方差和標(biāo)準(zhǔn)差在溫度為393.2 K時(shí)才出現(xiàn)峰值,在油溫達(dá)到393.2 K之前,多孔集熱板上溫度的方差均小于普通集熱板,說明其表面溫度均勻性更好;但是在溫度達(dá)到393.2 K及更高時(shí),二者方差和標(biāo)準(zhǔn)差基本上相同。在峰值之后,2種不同結(jié)構(gòu)集熱板表面溫度的方差和標(biāo)準(zhǔn)差都隨著溫度的升高而降低。其原因是在相同溫差條件下,多孔集熱板的熱阻明顯低于普通集熱板的熱阻,所以多孔集熱板的表面溫度均勻性優(yōu)于普通集熱板。多孔集熱板的熱阻隨集熱板表面溫度的遞增幅度要小于普通集熱板且存在最大值;在最大值后,其熱阻的增大趨勢將越來越小。

3.2 溫度均勻性對(duì)熱電性能的影響

2組溫差發(fā)電性能試驗(yàn)分別在普通集熱板和多孔集熱板上同時(shí)進(jìn)行。為研究溫度均勻性對(duì)溫差發(fā)電模塊的熱電性能影響,將電阻箱的負(fù)載電阻調(diào)節(jié)在40 Ω,調(diào)節(jié)溫控箱的溫度使其從333 K逐步升高到413 K,每隔10 K記錄2組溫差發(fā)電模塊產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓和電流等數(shù)據(jù)。整理記錄的測試數(shù)據(jù)可得到2種集熱板上溫差發(fā)電模塊在不同的冷熱端溫差條件下的熱電性能對(duì)比曲線,熱端溫度均勻性對(duì)溫差發(fā)電模塊熱電性能的影響如圖17所示。

圖17 熱端溫度均勻性對(duì)溫差發(fā)電模塊熱電性能的影響

隨著冷熱端溫差的增大,2種集熱板上溫差發(fā)電模塊的回路電流、負(fù)載電壓和負(fù)載功率都隨之增大。多孔集熱板上溫差發(fā)電模塊所產(chǎn)生的各種熱電性能參數(shù)均高于普通集熱板在相同條件下的相應(yīng)值,且多孔集熱板相對(duì)于普通集熱板溫差發(fā)電模塊的熱電性能提升更明顯。多孔集熱板試驗(yàn)熱電性能提升率如圖18所示。

圖18 多孔集熱板試驗(yàn)熱電性能提升率

多孔集熱板的熱電性能的提升率隨溫差的升高而降低,但下降的趨勢不是特別明顯?；芈冯娏鞯男侍嵘荌為9.38%～18.18%,平均提升13.18%;負(fù)載電壓的效率提升ηU為8.84%～11.88%,平均提升9.90%;輸出功率的效率提升ηP為19.58%～32.22%,平均提升24.40%。

4 結(jié) 語

為了研究集熱板優(yōu)化的溫差發(fā)電模塊的熱端溫度均勻性對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)的整體熱電性能的影響,通過搭建溫差發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)裝置,將普通集熱板和多孔集熱板作為熱源時(shí)溫差發(fā)電裝置的熱電性能做對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明,采用多孔集熱板的溫差發(fā)電裝置的回路電流、負(fù)載電壓和負(fù)載功率的最高值分別提高18.18%、11.88%、32.22%。同時(shí),基于有限元方法進(jìn)行建模和仿真模擬,獲得集熱板總體溫度分布云圖,得出多孔集熱板可使熱端溫度均勻性得到較大的改善,且隨著熱端溫度的升高,其效果越來越明顯;在仿真模擬中,以熱載荷分布均勻和不均勻2種工況做對(duì)比,發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱載荷分布均勻時(shí),溫差發(fā)電模塊的熱電性能更好,且隨著溫差的增大,差距會(huì)越來越明顯。