梁 翔, 倪 靖, 王文棚, 李 莎, 雷曉波, 張勤勇

(西華大學(xué) 先進(jìn)材料及能源研究中心, 四川 成都 610039)

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便攜式溫差發(fā)電裝置性能研究

梁 翔, 倪 靖, 王文棚, 李 莎, 雷曉波, 張勤勇

(西華大學(xué) 先進(jìn)材料及能源研究中心, 四川 成都 610039)

基于溫差發(fā)電原理設(shè)計(jì)、制作用于野外緊急充電的便攜式溫差發(fā)電裝置，將野外可燃物產(chǎn)生的熱能作為熱源,直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能,并利用一部分自發(fā)電驅(qū)動(dòng)小水泵將裝置冷端的熱量帶走。該裝置采用USB接口作為輸出端為各種數(shù)碼設(shè)備充電。以塞貝克效應(yīng)為基礎(chǔ),主要討論了散熱端水量、水流速度等對(duì)溫差電勢(shì)的影響以及裝置熱端加熱的最佳搭配方式。測(cè)試結(jié)果表明,該裝置的最佳加熱搭配方式是一塊固體酒精與10 cm高的燃燒架的方式。由4塊40 mm×40 mm低溫發(fā)電模組組成的發(fā)電裝置最大的發(fā)電功率為3.5～4 W,單位面積發(fā)電功率為580 W/m-2。

溫差發(fā)電； 塞貝克效應(yīng)； 緊急充電

野外探險(xiǎn)、科考等工作者常遇到電能耗盡的情況,迫切需要一種野外小功率發(fā)電裝置。在野外,太陽(yáng)能和可燃燒物質(zhì)化學(xué)能是兩種方便的能源,如何將其轉(zhuǎn)換為電能是小型發(fā)電裝置開發(fā)關(guān)注的焦點(diǎn)。在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能方面,盡管市場(chǎng)上已有小面積光伏電池發(fā)電器,但因太陽(yáng)光的能量密度較低、陰雨天和夜晚環(huán)境下無法使用,尚不能作為可靠的備用電源。也有將太陽(yáng)聚光生熱而利用塞貝克效應(yīng)發(fā)電的發(fā)電器[1],但由于需要隨身攜帶體積較大的聚光器,無法實(shí)現(xiàn)便攜。在可燃物質(zhì)化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能方面,徐維崢等[2]設(shè)計(jì)了利用燃燒熱能的斯特林發(fā)電機(jī),但沒有相關(guān)性能數(shù)據(jù)；黃學(xué)章等[3]設(shè)計(jì)了小巧便攜的冷端為風(fēng)冷散熱的野外溫差發(fā)電裝置,在采用四片溫差發(fā)電片的情況下,可輸出4.2～5.8 V的直流電,顯示了利用溫差發(fā)電原理開發(fā)便攜式野外備用電源的潛力。

溫差發(fā)電是一種基于塞貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù),即在溫差發(fā)電片或熱電片兩端有溫差時(shí),能直接將能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)光的火焰能量轉(zhuǎn)換為電能,且熱-電轉(zhuǎn)換效率和功率隨溫差增大而增大[4]。溫差發(fā)電裝置可以實(shí)現(xiàn)便攜目的,并且不受氣候和有無日照的限制,因此非常適合用來設(shè)計(jì)制作成野外便攜式備用電源。由于熱電材料性能的限制,目前為止市面上所售熱電發(fā)電片僅能工作在250 ℃以內(nèi),且熱-電轉(zhuǎn)換效率低于4%[5]。因此,對(duì)熱電發(fā)電片而言,其熱端接收火焰能量,熱電材料將其部分轉(zhuǎn)化為電能,而冷端必須以適當(dāng)?shù)姆绞綄?6%以上的熱量快速散走以保持兩端有適當(dāng)?shù)臏夭?確保發(fā)電過程可持續(xù)進(jìn)行。傳熱學(xué)表明水冷散熱的換熱系數(shù)是風(fēng)冷散熱的100～1 000倍[6]。因此在溫差發(fā)電模組的冷端采用水冷散熱較風(fēng)冷散熱可增加模組兩端的溫差,提高模組的發(fā)電功率[7-8]。

因此本文設(shè)計(jì)野外便攜式溫差發(fā)電裝置,以野外可燃物燃燒放熱供能,再通過冷端采用水冷散熱的熱電發(fā)電片將其部分轉(zhuǎn)換為電能,并測(cè)試了散熱端水溫、流速和流量等因素對(duì)裝置發(fā)電功率的影響，以及探討了火架高度與固體酒精的最佳搭配方式,為裝置的使用提供了參考。所設(shè)計(jì)制作的野外便攜式溫差發(fā)電裝置體積小、質(zhì)量輕、可全天候工作,發(fā)電功率約4 W,能滿足野外電子數(shù)碼設(shè)備小功率充電的需求。

1 溫差發(fā)電原理

在兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成的回路中,當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度不同時(shí),兩節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生電勢(shì)差,并在閉合回路中形成電流,稱為塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。單位溫度內(nèi)的電壓值即為塞貝克系數(shù)。由于半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)通常為數(shù)十到數(shù)百微伏每開爾文,比金屬導(dǎo)體的大1～2個(gè)數(shù)量級(jí),因此熱電材料以半導(dǎo)體為主。半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型有p型和n型,因而其塞貝克系數(shù)也有正有負(fù),反映了在相同溫度梯度下的電壓方向。將n型和p型熱電半導(dǎo)體用導(dǎo)體(如銅)連接形成熱電偶,則兩端電壓值將是兩者之和；將若干熱電偶串聯(lián),制成溫差發(fā)電片,第一個(gè)與最末一個(gè)熱電半導(dǎo)體引線之間的電壓值將是所有熱電偶電壓值之和,達(dá)到伏特?cái)?shù)量級(jí),從而具備應(yīng)用基礎(chǔ)。圖1為溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)原理.

圖1 溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)原理

溫差發(fā)電片的有用功率為

其中,α為塞貝克系數(shù),TH為器件熱端溫度,TC為器件冷端溫度,R為熱電元件電阻,RL為負(fù)載電阻。

從上式中可以看出，對(duì)成品的溫差發(fā)電片而言,提高器件兩端的溫差將提高器件的發(fā)電功率[9-11]。

2 野外便攜式溫差發(fā)電裝置

本發(fā)電裝置主要由可折疊的燃燒支架、核心發(fā)電組件和水循環(huán)系統(tǒng)組成。其中核心發(fā)電組件從下而上依次是1 mm厚的鋁制受熱板、溫差發(fā)電模組、水冷塊,各部分間通過導(dǎo)熱雙面膠粘接牢固。在野外環(huán)境下,收集到的可燃物可在折疊火架中燃燒,所釋放的熱能作為裝置的輸入能源。自發(fā)電所驅(qū)動(dòng)的小水泵帶動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻水依次循環(huán)流經(jīng)進(jìn)水軟管、緊貼于溫差發(fā)電片冷端的水冷塊以及出水管,帶走發(fā)電片冷端的熱量,以此穩(wěn)定發(fā)電片兩端的溫差,使裝置可以長(zhǎng)時(shí)間高效工作。除去供給小水泵的電能外，剩余的電能經(jīng)過USB模塊對(duì)外輸出。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。為顯示方便,圖2中把發(fā)電組件倒置。實(shí)際使用中,需將鋁制受熱板緊貼火架,使核心發(fā)電組件緊貼熱源。

圖2 野外便攜式溫差發(fā)電裝置

3 野外便攜式溫差發(fā)電裝置性能

目前市場(chǎng)上常見的溫差發(fā)電片為低溫溫差發(fā)電片,因受電極焊料熔點(diǎn)的影響,低溫溫差發(fā)電片一般要求器件熱端的溫度不高于250 ℃。因此本文通過調(diào)控火架高度等方式將器件熱端的溫度控制在200 ℃左右。裝置冷端的散熱方式采用了循環(huán)水冷卻方式,有利于讓水冷塊中的熱水被快速帶出水冷塊,并讓外界冷水補(bǔ)充進(jìn)入水冷塊。該散熱方式有利于提高器件兩端溫差,提高裝置的發(fā)電功率。因而,冷卻水的水量和速度等則是影響冷端溫度的因素。為了探究各個(gè)因素對(duì)裝置發(fā)電功率的影響,在高溫端溫度一定的情況下,依次控制冷卻水的水量和速度,測(cè)試裝置發(fā)電效果,同時(shí)對(duì)火架高度與固體酒精使用方式進(jìn)行了探討。本實(shí)驗(yàn)中采用了BK Precision 8500型號(hào)的電子負(fù)載作為裝置的外負(fù)載，以及LP3005D型號(hào)電源為水泵供電,小水泵的額定功率為0.75 W。

3.1 裝置熱端加熱搭配方式的探討

本實(shí)驗(yàn)主要探究火架高度的選取與固體酒精添加數(shù)量的關(guān)系,為裝置的火架高度定型、固體酒精的使用方式以及裝置使用時(shí)間提供參考。本實(shí)驗(yàn)中使用的固體酒精每塊質(zhì)量均為25 g,設(shè)置火架高度依次為10、15、20、25 cm,向火架中依次投入固體酒精數(shù)量分別為1、2、3塊固體酒精。當(dāng)酒精在火架中開始燃燒時(shí)每隔40 s使用熱電偶的探針探測(cè)受熱金屬板表面中心的溫度θ,待溫度值穩(wěn)定時(shí)記錄下受熱板的溫度。直至投入的固體酒精完全燃燒為止。測(cè)試結(jié)果見圖3。

圖3 固體酒精燃燒溫度特性

以150～250 ℃為裝置有效工作區(qū)間,則由圖3可以得出各測(cè)試條件所對(duì)應(yīng)的有效工作區(qū)間及單位酒精的有效工作時(shí)間，結(jié)果見表1。

表1 熱源特性

從表1中可以看出:當(dāng)酒精數(shù)量為1塊、燃燒架高度為10 cm時(shí),單塊固體酒精下的有效工作時(shí)間最長(zhǎng),約為720 s,即12 min,與其他搭配方式相比具有明顯的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。雖然在200～480 s之間,受熱板的溫度超過了250 ℃,但是圖3(a)中可以看出超過的溫度差值較小,且時(shí)間較短,對(duì)裝置的使用安全性、使用壽命影響最小。除時(shí)間優(yōu)勢(shì)外,該搭配方式的單塊酒精利用率最高,經(jīng)濟(jì)性最好,25 g的固體酒精體積小、質(zhì)量輕、可大量攜帶,4塊即可滿足裝置約1 h的有效工作,且此搭配火架高度較低、所占體積較小也方便攜帶。因此綜合考慮,本裝置熱端加熱搭配方式應(yīng)采用:1塊酒精+10 cm高的火架方式。盡管本文實(shí)驗(yàn)采用酒精作為燃料,但實(shí)際在野外使用時(shí),完全可以采用零散柴火作為燃料為裝置提供能源。

3.2 冷卻水水溫與時(shí)間的關(guān)系

增大器件冷熱兩端的溫差、延緩冷卻水水溫達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間有利于延長(zhǎng)裝置達(dá)到熱平衡，進(jìn)而延長(zhǎng)裝置高效發(fā)電的時(shí)間。將核心發(fā)電組件放置在實(shí)驗(yàn)火架之上,往火架之中適時(shí)、持續(xù)不斷地加入適量的固體酒精讓發(fā)電組件熱端基本維持在200 ℃附近。 依次采用0.5、1、1.5、2 L的冷卻水對(duì)發(fā)電組件冷端進(jìn)行冷卻,每隔3 min測(cè)一次水溫θ水,得到實(shí)驗(yàn)曲線見圖4。

圖4 冷卻水水溫與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4中的各條曲線后期均逐漸平緩并最終趨于穩(wěn)定值。因水冷塊外的冷卻水在裝置發(fā)電的過程中也在向四周空氣散熱,當(dāng)水冷塊外的冷卻水的散熱功率與冷卻水在水冷塊中的吸熱功率相等時(shí),水溫則穩(wěn)定下來。從圖4還可看出，隨著水量的增加,冷卻水水溫穩(wěn)定時(shí)的溫度明顯降低,且冷卻水達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng),證明使用該裝置時(shí)采用較多的冷卻水能起到更好的冷卻效果。

3.3 冷卻水水流速度對(duì)發(fā)電電壓的影響

本裝置的冷卻方式采用的是自發(fā)電所帶動(dòng)的小水泵驅(qū)動(dòng)冷卻水流動(dòng)的循環(huán)水散熱方式。依據(jù)傳熱學(xué)原理,水冷塊中的冷卻水流速越高,冷卻水與器件熱端的換熱系數(shù)增大,將帶走更多的熱量,有利于提高裝置的發(fā)電功率?？紤]到小水泵自身的啟動(dòng)電壓為3 V及額定電壓,依次對(duì)小水泵提供4～10 V的電壓逐漸增大水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而逐漸增大冷卻水的水流速度,并測(cè)出與之對(duì)應(yīng)的器件發(fā)電電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 裝置發(fā)電電壓V與水泵供電電壓V泵的關(guān)系曲線

從圖5中可以看出，在4～8 V區(qū)間隨著水泵供電電壓的增加,裝置的熱電勢(shì)(發(fā)電電壓)增加較為明顯,在8 V之后裝置的熱電勢(shì)趨于平緩,可認(rèn)為本裝置在提供8 V以上的供電電壓以后,裝置發(fā)電趨于穩(wěn)定,冷卻水水流速度的影響逐漸減小。從總體上看,增加水泵供電電壓對(duì)裝置熱電勢(shì)的提高影響較小,提升了3%～5%的電壓。各曲線之間的間隔也有所不同,隨著水量的增加熱電勢(shì)提高的幅度增大。測(cè)得的水泵正常工作區(qū)間內(nèi)的水流速度v與水泵供電電壓V泵的關(guān)系見圖6。

圖6 冷卻水流速與水泵電壓的關(guān)系曲線

依據(jù)傳熱學(xué)原理有

(1)

(2)

式中，h為換熱系數(shù)、Pr為普朗特系數(shù)、Re為雷諾數(shù)、c為系數(shù)、v為水流速度、ν為流體運(yùn)動(dòng)黏度。

3.4 水量對(duì)裝置發(fā)電功率的影響

往火架中按時(shí)適量加入固體可燃酒精，使器件高溫端的溫度維持在200 ℃左右,依次用0.5、1、1.5、2 L的冷卻水對(duì)器件散熱,待冷卻水水溫基本不變時(shí),測(cè)裝置的輸出特性(發(fā)電功率P與電流I關(guān)系曲線),結(jié)果見圖7。

圖7 裝置的輸出特性

本裝置使用4片40 mm×40 mm的溫差發(fā)電片,其峰值發(fā)電功率約為3.7 W,單位面積發(fā)電功率為580 W/m2。與現(xiàn)市場(chǎng)上常見的單位面積最大發(fā)電功率約為200 W左右的太陽(yáng)能電池板相比[12],在野外環(huán)境下本裝置具有單位面積輸出功率更大、攜帶更加方便、夜晚可發(fā)電的優(yōu)勢(shì)。本裝置散熱所需的冷卻水不多,普通500 mL的礦泉水瓶所攜帶的水量就能滿足裝置的發(fā)電散熱需求。

4 結(jié)論

(1) 裝置的最佳加熱搭配方式是一塊固體酒精與10 cm高的火架的方式,該搭配方式下使用裝置的經(jīng)濟(jì)性、安全性、發(fā)電性能都能得到較好體現(xiàn)。

(2) 在條件允許情況下，盡可能增加冷卻水水量是提高裝置發(fā)電功率最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法。

(3) 在水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)下,水泵驅(qū)動(dòng)的水流速度對(duì)提高裝置發(fā)電功率影響很小,裝置正常工作的自發(fā)電所驅(qū)動(dòng)的小水泵所帶動(dòng)的水流速度已經(jīng)基本滿足了水流速度對(duì)冷端口散熱的需求。

(4) 本裝置的輸出電壓約為11.3 V,發(fā)電功率約為3.7 W，適合作為野外緊急備用電源使用。

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Properties of a portable thermoelectric generator

Liang Xiang, Ni Jing, Wang Wenpeng, Li Sha, Lei Xiaobo, Zhang Qinyong

(Center for Advanced Materials and Energy, Xihua University, Chengdu 610039, China)

Based on the principle of thermoelectric effects, a portable thermoelectric power generation device with a USB interface for outdoor emergency electricity charging that can directly convert heat into electricity from various heat source is designed, with a self-driving small pump as heat sink. The effects of the cooling water volume and flowing velocity, as well as the heat source design, on the thermoelectric potential, based on the Seebeck effect, are explored, leading to an optimized match between one solid alcohol and 10 cm high combustion frame as heat source for best performance of the designed device having 4 commercial 40 mm×40 mm thermoelectric modules, which can output a maximum power of 3.5-4 W with a power density of 580 W·m-2.

thermoelectric generation； Seebeck effect； emergency charging

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.028

2016-05-24 修改日期：2016-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51372208)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015GZ0060)；教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目(Z2015082)；團(tuán)隊(duì)計(jì)劃“熱電材料及應(yīng)用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目(2015TD0017)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510623025)；西華大學(xué)“西華杯”登峰計(jì)劃科研項(xiàng)目(2015019)

梁翔(1993—)，男，四川峨眉山，本科生，研究方向?yàn)闇夭畎l(fā)電、半導(dǎo)體制冷

E-mail：lxsghxx@163.com

張勤勇(1972—)，男，四川成都，博士，教授，研究方向?yàn)闊犭姴牧吓c器件、清潔能源應(yīng)用.

E-mail：122330457@qq.com

TM913

A

1002-4956(2016)11-0112-05