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基于生物质燃料的水冷式温差发电机的实验研究

  摘要:为解决无电区域和火灾、地震和雪灾等特殊条件下的供电问题,设计了一种可燃用木柴和木炭等生物质燃料的水冷式温差发电机,其特点在于引入了一种辐射型的集热器。温差发电机的总质量为23.3kg,集成了直流稳压器,可稳定地对外输出电能。测试了温差发电机的启动特性、空载特性和功率负载特性,结果表明:该温差发电机的平均工作温差为68℃,最大空载电压达到116.3V。当接入负载时,输出功率随外部负载电阻的增大而降低。当外部负载为1.6Ω时,温差发电机可对外输出最大功率为22.4W;继续降低负载电阻时,温差发电机将不能维持稳定地输出电能。
  引言
  能源是人类生活的基础,随着世界经济的发展,能源短缺问题日益突出,太阳能、地热能、生物质能等可再生清洁能源以及工业废热等低品位能源得到了越来越多的关注[1-2]。近年来,一种温差发电技术引起了科研人员的广泛关注。温差发电是一种基于塞贝克效应的发电技术,无机械运动部件,结构紧凑,维护成本低。此外,热电材料无气态和液态介质存在,在整个能量转换过程中没有废水和废气等污染物排出,是一种绿色环保的能源技术。温差发电与太阳能发电和风力发电相比,其最大的优点在于不受自然天气的约束。近年来,随着半导体技术的进步,基于塞贝克效应的温差发电材料有了显著的突破[3-5],温差发电技术逐渐具备了实用价值。在军事、余热利用和地热利用等领域已取得了广泛的应用[6-7]。
  世界上有30亿人口需要使用生物质等固体燃料来烹饪食物、照明和取暖[8]。在世界范围内仍有超过13亿人口无法获得电力,无法融入现代文明生活[9]。此外,在发生自然灾害后,如何就地便捷获取电力至今仍是技术难题。为解决无电区域和极端条件下的供电问题,一种可行的方法是将传统的炉具与温差发电模块相结合,在实现炊事和取暖的同时获得一定量的电力,这种方法的应用即为温差发电炉。由于生物质燃料在生命周期内二氧化碳零排放的特性,因此基于生物质燃料的温差发电炉具有重要的研究意义。
  在国外,Montecucco等人[10-11]设计了一种以固体可燃物为燃料的温差发电炉。该温差发电炉冷端的散热方式为水冷散热,在250℃的温差下,最大平均输出功率可达27W,其热电转换效率为4%~5%。Nuwayhid等人[12-14]对温差发电炉进行了一系列的优化,输出功率从最初的1W增加到3.4W,最后可达到4.2W。该温差发电炉分别采用空气自然对流和回路型热管对温差发电片的冷端进行散热。Najjar等人[15]在传统炉灶中加入温差发电模块,使该温差发电炉在正常使用时产生7.8W的电能。Champier等人[16-17]设计了一种能提高燃烧效率的温差发电炉。该温差发电炉使用了直流稳压器,同时在实验中对水冷和风冷2种不同的散热方式进行了对比。结果表明水冷的效果优于风冷,能产生6W的电能,其热电转换效率约为2%[16]。随后,Champier等人对该温差发电炉进行了优化,其最大输出功率可达9.5W[17]。
  Mal等人[18]研制了一种风冷型温差发电炉,其发电功率约为3W。Sornek等人[19]在壁炉烟囱上安装温差发电模块,获得了5W的最大发电功率。Lertsatitthanakorn[20]等人提出了一种基于翅片散热器的生物质温差发电炉,研究了不同温度下的热电转换效率。实验结果表明,在150℃左右的温差下,最大输出功率可达2.4W,热电转换效率为3.2%。
  在国内,任德鹏[21]等人研究了负载大小等参数对发电功率的影响,指出可以通过改善冷端的换热系数或强化热端的热流来提高温差发电器件的热电转换效率。陈伟[22]等人设计了一款具有错排扰流片结构的新型温差发电装置,用于回收汽车尾气余热。该装置可通过错排结构来提高换热通道的换热系数。实验表明,在发动机转速为3000r/min、换热通道入口处尾气温度为140℃的情况下,其发电电压为1.1~1.2V,发电功率约为1.3W。马洪奎等人[23]研制了由4片温差发电片组成的温差发电机,测量了其功率变化曲线,在温差为170℃的情况下,发电功率为8.9W。李国能等人设计了一种便携式温差发电炉[24-25],总质量为2.5kg,输出电压稳定为5V时可对外输出2.1W的电能。
  综上所述,国内外对温差发电炉的研究尚处于起步阶段,大部分文献展示的温差发电炉的发电功率均小于10W[26-27],仅有一款商品化销售的温差发电炉[28]。本文设计了一种基于生物质燃料的水冷式温差发电机,搭建了相关实验测试平台,对该发电机的启动特性、空载特性和功率负载特性进行了测试。该研究可为后续开发更大功率的温差发电炉提供参考。
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温差发电机和测试系统
  1.1水冷式温差发电机概况
  水冷式温差发电机由燃烧器、集热器和温差发电单元组成。图1为该温差发电机的样机,主要由炉膛、环形烟道、集热器、连接卡环、保温棉和温差发电单元构成。温差发电单元是温差发电机的核心部件,由均热铝板、温差发电片、水冷散热器和水泵组成。炉膛主体采用不锈钢材料,直径为100mm,竖直高度为530mm,在不同位置打孔安装导热铜棒构成集热器,即24根直径为12mm的导热铜棒分6组均匀安装在炉膛的周围,每根铜棒间隔40mm,深入炉膛40mm。在靠近底部140mm的位置开有100mm×70mm的矩形添料口,其底部焊有炉排,用于支撑生物质燃料。炉膛顶部设有一个四分之一的环形烟道,用环形卡环与炉膛连接。环形烟道上焊有一个130mm×110mm方形拉环,用于手持移动。整个装置由3根不锈钢支架支撑,炉膛底部距离地面120mm。

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