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(duì)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(shí)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(duì)的戰(zhàn)斗力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭高機(jī)動(dòng)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(duì)[1]。外軍口糧加熱裝置通常由軍用汽車或柴油發(fā)電機(jī)供電，工作時(shí)噪音較大，且機(jī)動(dòng)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(dòng)，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(shí)現(xiàn)熱能和電能的相互轉(zhuǎn)化，同時(shí)具有質(zhì)量輕、靜態(tài)、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)[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(jì)基于TEG 技術(shù)的加熱器供能系統(tǒng)，以滿足軍隊(duì)野戰(zhàn)快速就餐和長期作戰(zhàn)補(bǔ)給的需要，同時(shí)提升軍事行動(dòng)的機(jī)動(dòng)性，增強(qiáng)熱食補(bǔ)給的自持能力。

1 設(shè)計(jì)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(qiáng)等特點(diǎn)。

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(dòng)燃燒器時(shí)，電源管理器啟動(dòng)控制電路使鋰離子電池向燃燒器供電，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)間段內(nèi)，TEG 和鋰離子電池同時(shí)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(shí)，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(shí)，電源管理器進(jìn)行工作模式切換，使TEG 獨(dú)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(shí)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(jì)

TEG 由多個(gè)TEG 模塊組成，TEG 模塊與水箱底部的集成，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。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(shí)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(jì)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(gè)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(gè)溫差發(fā)電器件上放置一片鋁墊板。集熱器設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)中TEG 由6 個(gè)TEG 模塊組成，將6 個(gè)TEG 模塊安裝于口糧加熱器整機(jī)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(gè)TEG 模塊中共布置7 個(gè)測溫?zé)犭娕?，如圖5 所示。

圖5 TEG模塊測溫點(diǎn)布置

在6 個(gè)TEG 模塊的4 個(gè)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(gè)TEG 模塊的底板設(shè)置3 個(gè)測溫點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)松動(dòng)造成溫度波動(dòng)。

為了提升TEG 對鋰離子電池的充電效率，將6 個(gè)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(gè)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(shí)，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(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)幾種供電模式的切換。

2.2 TEG 模塊裝配

使用點(diǎn)焊槍將螺柱焊接于整機(jī)鍋具底部，在TEG 模塊底部涂抹導(dǎo)熱硅脂，將每個(gè)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(jī)鍋具底部。

為了避免實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)線纜的固定。最后將各線纜穿過整機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)測試，燃燒器開啟5 min 后6 個(gè)TEG 模塊共產(chǎn)生1 A 電流，開始對鋰離子電池充電，18 min 時(shí)將鋰離子電池的電量由53%充至60%。25 min 時(shí)TEG 模塊的熱面最高溫度達(dá)到213 ℃，同時(shí)6 個(gè)TEG 模塊的總輸出功率達(dá)到最高的116 W，下面對各實(shí)驗(yàn)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(shí)間下TEG 模塊的熱面溫度，熱面溫度與時(shí)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(shí)間增加而上升，其中6 號TEG 模塊的熱面溫度最高，在40 min 時(shí)達(dá)到了240 ℃，這是因?yàn)? 號TEG 模塊排布于第二層流道的入口位置，屬于熱流首匯點(diǎn)，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(jī)的熱流道區(qū)域溫差較大，4 號TEG 模塊位于整個(gè)模塊的中部，溫度不及熱流發(fā)出點(diǎn)和熱流首匯點(diǎn)較為合理。

圖7 TEG熱面溫度與時(shí)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(shí)間下TEG 模塊的冷面溫度，冷面溫度與時(shí)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(shí)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(diǎn)的原因。

圖8 TEG冷面溫度與時(shí)間關(guān)系

2.3.2 TEG 輸出電壓

6 個(gè)TEG 模塊的輸出電壓與時(shí)間關(guān)系曲線如圖9 所示。圖9 表明，在一定時(shí)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?yàn)? 號TEG 模塊位于熱流入口點(diǎn)、2 號TEG 模塊離熱流入口點(diǎn)較近、6 號TEG 模塊位于熱流首匯點(diǎn)，這3 個(gè)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(shí)，冷熱面溫差較大的3 個(gè)TEG 模塊的發(fā)電性能更好。

圖9 各TEG輸出電壓與時(shí)間關(guān)系

2.3.3 TEG 輸出功率

6 個(gè)TEG 模塊的總輸出功率與時(shí)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(shí)達(dá)到最高的116 W，之后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榧訜岢跗?，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(dú)立給燃燒器供電，同時(shí)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(jì)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(diǎn)，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(shí)被轉(zhuǎn)換為電能，反過來對燃燒器供能，成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自循環(huán)獨(dú)立運(yùn)行。本系統(tǒng)自持性強(qiáng)和可靠性高的特點(diǎn)使其能夠滿足軍隊(duì)野戰(zhàn)快速就餐和長期作戰(zhàn)補(bǔ)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。