李國能，畢 琛，朱凌云，鄭友取

（浙江科技學院 能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系，杭州 310023）

0 引言

世界上有13億人無法獲得電力[1]，同時近30億人使用生物質(zhì)爐進行炊事、取暖和照明[2]。生物質(zhì)燃料可就地取材，在生命周期內(nèi)具有二氧化碳零排放特性。隨著化石燃料的不斷使用，全球二氧化碳濃度不斷升高，2016年大氣中的平均二氧化碳濃度已達到約792 mg/m3[3]。因此，基于生物質(zhì)燃料的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)可有效規(guī)避供熱管網(wǎng)建設(shè)，擺脫對化石燃料的依賴，有效利用生物質(zhì)廢棄物，應(yīng)用前景廣闊。此外，當發(fā)生嚴重自然災害后，如何就地便捷地獲取一定電力供應(yīng)，仍然是一項技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，研究分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有重要的民生和科學研究意義。

塞貝克熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今，在航天和軍事領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，其工作原理是不同導體或半導體的接點在不同溫差的條件下產(chǎn)生電動勢。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，其ZT值（優(yōu)值）不斷提高，一般地，當ZT=1.0時，系統(tǒng)發(fā)電效率在5%左右，進入實用階段；當ZT=2.0時，發(fā)電效率在15%左右，可中等規(guī)模應(yīng)用；當ZT=3.0時，發(fā)電效率在25%左右，可大規(guī)模應(yīng)用。目前已開發(fā)出ZT=2.6的材料（SeSn），但是量產(chǎn)的溫差發(fā)電材料的ZT值約為1.0。溫差發(fā)電模塊工作在熱端Th和冷端Tc下，其開路電壓VOC為：

式中：N為溫差發(fā)電模塊內(nèi)部的電堆數(shù)；αP和αN分別為P極和N極的塞貝克系數(shù)。此時溫差發(fā)電模塊的內(nèi)阻RI為：

式中：ρP和ρN分別為P極和N極的電阻率；A和L分別為P極和N極的橫截面積和長度；z為坐標方向，零點位于冷端，往熱端方向為+z方向。當外部負載電阻為RE時，其工作電流ITE為：

假設(shè)溫差發(fā)電模塊的物性參數(shù)不隨時間變化時，其熱端和冷端的熱流率Qh和Qc分別為：

式中：kP和kN分別為P極和N極的導熱系數(shù)；式（5）右側(cè)的3項依次代表帕爾貼熱、傅里葉導熱和焦耳熱。

溫差發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，以下對此進行簡要的回顧。

在國外，Nuwayhid等人[4-6]在火爐上采用溫差發(fā)電片，實現(xiàn)給無電區(qū)域或經(jīng)常斷電區(qū)域供電，原型機采用空氣自然對流散熱和熱管散熱，發(fā)電功率在 1～4.2 W[4，6]。 Lertsatitthanakorn[7]在火爐上添加溫差發(fā)電片，采用空氣自然對流散熱的方式，發(fā)電功率為2.4 W。Champier等人設(shè)計的溫差發(fā)電機采用水冷散熱，最大輸出功率在6～7.6 W[8，9]，熱電轉(zhuǎn)換效率約為2%。Rinalde等人[10]設(shè)計了一種強制流動水冷式溫差發(fā)電機，最大發(fā)電功率為12.3 W，其中一部分用于驅(qū)動水泵。Najjar等人[11]對傳統(tǒng)爐灶進行了改造，實現(xiàn)熱電聯(lián)供，總發(fā)電功率為7.8 W。Montecucco等人[12-13]設(shè)計的溫差發(fā)電機采用了最大功率點追蹤功能的直流穩(wěn)壓器，發(fā)電功率達到27 W，熱電轉(zhuǎn)換效率為5%。Mal等人[14]設(shè)計的溫差發(fā)電機在采用不同溫差發(fā)電片時對外供電2～4 W。此外，2016年美國BioLite公司推出了商品化的BaseCamp火爐驅(qū)動型溫差發(fā)電機，發(fā)電功率為5 W，重量為8.16 kg[15]。在國內(nèi)，溫差發(fā)電的研究主要集中在理論和材料制備研究上。在應(yīng)用領(lǐng)域，馬洪奎和高慶[16]采用電加熱板和水冷散熱器測試得出一個溫差發(fā)電機的功率負載曲線,在工作溫差為170℃時，發(fā)電功率為8.9 W。筆者等人[17-20]設(shè)計的若干便攜式溫差發(fā)電爐，發(fā)電功率為2～12.9 W。

綜上所述，基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率較低，一般不超過5%，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。然而，該技術(shù)在分布式熱電聯(lián)供方面具有顯著的優(yōu)勢：首先，溫差發(fā)電技術(shù)是純固態(tài)的發(fā)電技術(shù)，維護簡單，不依賴氣候，可長期穩(wěn)定運行；其次，該發(fā)電技術(shù)的冷端有大量熱量需要耗散，這些耗散熱沒有任何污染，是供熱的優(yōu)質(zhì)來源；最后，該技術(shù)可脫離電網(wǎng)，擺脫化石燃料，就地實現(xiàn)分布式熱電聯(lián)供。

在前人的研究基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，提出了一種新型的集熱器，制作樣機并完成實驗室測試和現(xiàn)場測試，詳細研究其供電特性和供熱特性，采用理論模型分析驗證了實驗數(shù)據(jù)，研究結(jié)果可充實已有研究工作，為后續(xù)研究人員提供有意義的參考。

1 系統(tǒng)簡介

基于生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機的熱電聯(lián)供系統(tǒng)如圖1所示，主要包括溫差發(fā)電機、水箱、水泵、暖氣片、供暖風扇和電池組。電池組位于電能管理系統(tǒng)內(nèi)，用于平衡內(nèi)部用電和外部用電。溫差發(fā)電機的結(jié)構(gòu)、實物圖、電路圖和樣機實物如圖2所示。溫差發(fā)電機由2個Ω形狀的紫銅板對稱安裝，組成一個集熱器，同時提供燃燒室和溫差發(fā)電模塊的安裝平面。24個溫差發(fā)電模塊均勻安裝在集熱器的4個安裝平面，每個平面安裝6個溫差發(fā)電模塊作為一組溫差發(fā)電單元。每個溫差發(fā)電單元內(nèi)部串聯(lián)，4個溫差發(fā)電單元之間并聯(lián)。溫差發(fā)電模塊型號為TEG-126T200，耐溫200℃，半導體材料為碲化鉍，電堆數(shù)為126，尺寸為40 mm×40 mm×3.8 mm。溫差發(fā)電模塊冷端貼合安裝鋁質(zhì)水冷散熱器，尺寸為240 mm×40 mm×12 mm，冷卻工質(zhì)為水，裝載在水箱內(nèi)，由水泵進行循環(huán)。溫差發(fā)電機的出水管路中安裝暖氣片，由供暖風扇進行強制冷卻，提供清潔暖風。與此同時，溫差發(fā)電機的燃燒排放煙氣可作為炊事使用，水箱可提供生活熱水。

圖1 含生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機的熱電聯(lián)供系統(tǒng)

圖2 （a）所示的集熱器區(qū)別于已有相關(guān)研究的集熱器，該集熱器吸收了整個燃燒室區(qū)域的輻射傳熱熱流率，而已有的相關(guān)研究主要依靠一個或多個伸入火焰區(qū)域的導熱體吸收的對流傳熱熱流率。因此，已有相關(guān)研究難以集成數(shù)十個溫差發(fā)電模塊進行熱電聯(lián)供。本文設(shè)計的熱電聯(lián)供系統(tǒng)由1個室外機和1個室內(nèi)機組成，如圖2（d）所示。室外機尺寸為0.35 m×0.35 m×0.5 m，質(zhì)量為32 kg，室內(nèi)機尺寸為0.35 m×0.2 m×0.25 m，質(zhì)量為4.8 kg。在實際測試時的燃料為木炭或薪柴，溫度傳感器為K型熱電偶，結(jié)合Agilent 34 970 A數(shù)據(jù)采集儀采集溫度信號，溫差發(fā)電機的功率負載特性采用Prodigit 3311F電子負載測試，其電壓輸入范圍為0～60 V，精度為0.5%。

本文設(shè)計的溫差發(fā)電熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)如圖3所示。溫差發(fā)電模塊組（4組溫差發(fā)電單元并聯(lián)，每個單元內(nèi)6個溫差發(fā)電模塊串聯(lián)）的電能接入1個電能測試儀EET，經(jīng)過第1個穩(wěn)壓器（DDC-0）同時給 2 個電池組（BT-1， BT-2）和 2個穩(wěn)壓器（DDC-1，DDC-3）供電，DDC-3給外部負載和內(nèi)部儀器儀表供電，DDC-1同時給1個穩(wěn)壓器（DDC-2）和冷卻水泵供電，DDC-2同時給溫控儀和電能管理系統(tǒng)的散熱風扇供電，溫控儀控制鼓風風扇的工作。

圖2 生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機示意及樣機

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 供電測試結(jié)果及分析

圖3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)

為測試系統(tǒng)的供電能力，用電子負載代替電能管理系統(tǒng)中的電池組，以測試系統(tǒng)的充電能力。在測試供電能力時，系統(tǒng)的水泵、供暖風扇和儀器儀表的電能全部由發(fā)電系統(tǒng)自供電和自維持（內(nèi)部總耗電14.6 W），即發(fā)電機多余的電能通過電子負載耗散，以測試供電能力，從而配置合適的電池組進行儲能。圖4和圖5分別給出了2組測試工況（熱端溫度150℃和180℃）下的熱端溫度、工作溫差ΔT、輸入電壓Uin、負載電壓Uld、負載功率Pld和負載電流Ild隨負載大小的變化規(guī)律。值得注意的是，熱端溫度并不是維持恒定的設(shè)定值（150℃ 或180℃），而是在一定范圍內(nèi)輕微波動，這是由于溫控儀設(shè)有溫控回差造成的，用于避免溫控儀頻繁動作。

由圖4和圖5可見，熱端溫度為150℃和180℃時對應(yīng)的平均工作溫差為95℃和112℃，對應(yīng)的冷端溫度分別為55℃和 68℃，因此，冷卻水的溫度在50℃～68℃，適合供暖使用，同時也可作為生活熱水來源。此外，隨著負載電阻的減小，供電功率不斷增大，最大值分別為15.2 W和22.2 W，即每小時的發(fā)電電能為15.2 Wh和22.2 Wh。作為參考，一個智能手機的電池儲電電能約為10 Wh，因此，該發(fā)電系統(tǒng)可以為電子產(chǎn)品供電，但無法為大型用電器供電。

圖4 熱端溫度為150℃時的溫差發(fā)電機功率負載特性

圖5 熱端溫度為180℃時的溫差發(fā)電機功率負載特性

2.2 供熱測試結(jié)果及分析

為測試系統(tǒng)的供熱性能和供熱效果，聯(lián)合杭州濱江某高新技術(shù)企業(yè)在新疆烏魯木齊某山山頂開展供熱實驗研究，此時所有供電設(shè)施由發(fā)電機提供，帳篷由企業(yè)提供，重點測試本文設(shè)計的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的供熱能力和帳篷的保溫性能。測試空間的平面圖和測點布置如圖6所示，室內(nèi)面積25 m2，帳篷外表面積為52 m2，室內(nèi)布置9個溫度測點，水箱和室內(nèi)機放置在室內(nèi)，向室內(nèi)供熱；室外機位于室外，距離帳篷3 m；燃料為木炭，水源通過融雪獲得；測試實驗過程中室外環(huán)境溫度介于-18℃～-15℃。

圖6 熱電聯(lián)供實地測量示意及帳篷實物

溫差熱電聯(lián)供系統(tǒng)穩(wěn)定后，各個測點的溫度如表1所示。由表1可見，采用本文設(shè)計的熱電聯(lián)供系統(tǒng)后，室內(nèi)溫度維持在15℃以上，室內(nèi)外溫差達到30℃。為測量實際的供熱功率，采用德圖手持式風速計測量暖氣片出口的風速和溫度，從而計算出暖風的質(zhì)量流率和供熱功率，結(jié)果如表2所示。由表2可見，暖氣片的總供熱功率為1 158 W。此外，儲水罐存在自然散熱熱流率，根據(jù)其外表面積和自然對流換熱系數(shù)（10 W/m2·K）可計算得出其散熱熱流率為84 W，因此，室內(nèi)的總供熱功率為1 242 W。綜合上述測試結(jié)果，發(fā)電總功率為36.8 W，供熱總功率為1 242 W，由此可計算出溫差熱電效率為2.88%，低于溫差發(fā)電模塊的工作效率（約為5%），這是由于系統(tǒng)集成后溫差發(fā)電機不可避免地存在界面熱阻，以及集熱器溫度分布不均勻?qū)е聹夭畎l(fā)電單元之間的內(nèi)耗造成的。

表1 室內(nèi)溫度分布

表2 暖氣片加熱功率的測量結(jié)果

表3 溫差發(fā)電模塊尺寸和物性參數(shù)

2.3 理論分析

為驗證分析實驗結(jié)果，采用式（1）—（5）計算系統(tǒng)的發(fā)電功率和供熱功率，采用的物性參數(shù)如表3所示，其中Atot為溫差發(fā)電模塊單面的面積，Lcm為陶瓷片的厚度。

考慮陶瓷片的熱阻和接觸熱阻后，實際的工作溫差為[21-22]：

測量溫差為95℃，根據(jù)已有文獻的研究結(jié)果r=0.2，而w=Lcm/L，因此，實際工作溫差為86.1℃。根據(jù)式（1）可計算獲得單個溫差發(fā)電模塊的電壓VOC為4.459 V。根據(jù)式（2）和接觸電阻值[21-22]可計算獲得單個溫差發(fā)電模塊的內(nèi)阻為4.07Ω，因此，系統(tǒng)的最大工作電流為：

式中：NTE為每個發(fā)電單元的溫差發(fā)電模塊數(shù)；Ng為并聯(lián)的溫差發(fā)電單元數(shù)。

由圖 2（c）可見， NTE=6， Ng=4。 因此， 發(fā)電功率為：

除計算發(fā)電功率外，采用式（4）和式（5）計算從熱端的吸熱量和從冷端的放熱量，如表4所示。其中，QP為帕爾貼熱；Qcd為傅里葉導熱；QJ為焦耳熱；Qtot為總功率。由表4可見，傅里葉導熱熱流率占主，但是對發(fā)電沒有貢獻；真正起發(fā)電作用的是帕爾貼效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）導致的熱流率在冷熱兩端的差值剛好等于系統(tǒng)的實際發(fā)電功率。綜上所述，在熱端工作溫度為150℃時，實驗發(fā)電量為29.8 W，理論計算結(jié)果為29.3 W；實驗供熱功率為1 242 W，理論計算結(jié)果為1 312 W，實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致。

表4 熱端和冷端的熱流功率

3 結(jié)語

通過設(shè)計一種基于生物質(zhì)燃料溫差發(fā)電機的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，提出了一種新型的集熱器，制作樣機并完成了實驗室測試和現(xiàn)場測試。實驗結(jié)果表明：該熱電聯(lián)供系統(tǒng)可提供36.8 W的電力和1 242 W清潔暖風，其中22.2 W電力可對外輸出，為小型電子產(chǎn)品供電。此外，采用理論模型計算了所設(shè)計的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果一致。理論模型分析結(jié)果揭示了該溫差熱電聯(lián)供系統(tǒng)已充分利用了每一個溫差發(fā)電模塊的發(fā)電能力，基于輻射換熱的集熱器是利用溫差發(fā)電技術(shù)進行熱電聯(lián)供的關(guān)鍵。