王立舒，王麗嬌，喬帥翔，徐艷林，賈紅丹，解鑫澤

溫室便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

王立舒，王麗嬌，喬帥翔，徐艷林，賈紅丹，解鑫澤

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決在極端條件下，偏遠地區(qū)溫室大棚小功率器件，如節(jié)能燈、溫度濕度監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)碼設(shè)備等必要用電設(shè)備的隨時供電問題。該文設(shè)計了一種便攜式且可持續(xù)供電的溫差發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)電結(jié)構(gòu)為一個小型的長方體發(fā)電箱，且系統(tǒng)總質(zhì)量較輕，滿足便攜性。該系統(tǒng)采用生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量作為熱源，使用扁平熱管作為導(dǎo)熱元件，冷端利用水冷散熱。使用ANSYS對系統(tǒng)進行仿真分析，并搭建試驗平臺，采集并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)熱端的最高溫度為270.1 ℃，輸出的最大功率為10.7 W，熱電效率最大為5.73%；結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有便攜性，熱端溫度較高，具有較高的熱電效率，在極端條件下或偏遠地區(qū)可實現(xiàn)隨時發(fā)電，同時為便攜式發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用提供了有力依據(jù)。

溫差；發(fā)電；溫室；便攜式；熱量轉(zhuǎn)換

0 引 言

溫室一般建造在較為偏遠的地區(qū)，市電難以送達或送達成本較高，所以溫室大棚的供電方式一直是很多學(xué)者致力研究的問題，目前國內(nèi)外多采用分布式發(fā)電的方式為溫室大棚供電。常見的分布式能源有風(fēng)能和太陽能[1]。但風(fēng)機和太陽能電池板體積較大不易攜帶，且以上2種能源的利用受環(huán)境影響較大，在很多時候電量供應(yīng)不足甚至斷電，于是需要一種便攜式的可隨時供電的發(fā)電設(shè)備。

目前已有許多學(xué)者開始研究便攜式發(fā)電系統(tǒng)。在國內(nèi)，朱永迪[2]設(shè)計了一種農(nóng)用便攜式多用途光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用遠程控制系統(tǒng)(programmable logic controller，PLC)，實現(xiàn)了泵站遠程監(jiān)控。楊思夢[3]設(shè)計了便攜式多動力源發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了風(fēng)、光、手搖互補式發(fā)電。李咸璞[4]利用人體體溫與環(huán)境之間的溫差進行溫差發(fā)電，設(shè)計了小型的便攜式發(fā)電系統(tǒng)，其電量可滿足LED燈的供電需求。李國能等[5]設(shè)計了一款便攜式溫差發(fā)電爐，系統(tǒng)采用風(fēng)冷散熱，輸出功率為2.45 W，熱電轉(zhuǎn)換效率為2.1%。梁翔等[6]利用野外可燃物燃燒產(chǎn)生的熱能作為熱源，通過設(shè)置對比試驗，選出散熱與發(fā)熱的最佳搭配方式。裝置發(fā)出的最大功率為3.5～4 W。黃學(xué)章等[7]以野外篝火為熱源，設(shè)計了一種便攜式數(shù)碼充電器，其輸出電壓為4.2～5.8 V、電流為2～3 A。在國外，F(xiàn)anciulli[8]建立并表征了基于催化燃燒器的便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)產(chǎn)生1 W的電功率，直流電壓為0.75 V，電流約為1.1 A。Krishnan[9]使用新型燃燒器作為溫差發(fā)電系統(tǒng)的高溫?zé)嵩矗@種便攜式發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，實現(xiàn)超過10%的系統(tǒng)預(yù)測轉(zhuǎn)換效率。以上便攜式發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)體積較大，且在極端條件下，如連續(xù)無風(fēng)的陰雨天，不能實現(xiàn)隨時供電[10]；手搖式發(fā)電和一些已有溫差發(fā)電系統(tǒng)效率較低，輸出功率較小；有些溫差發(fā)電系統(tǒng)僅通過幾組對比試驗確定冷熱端搭配方式，沒有仿真試驗，缺乏理論依據(jù)，難以達到系統(tǒng)最大發(fā)電量等缺點。

針對以上問題，本文設(shè)計了一款小型的便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)。由于溫差發(fā)電片體積較小，質(zhì)量輕，便于攜帶，且成本低[11]。該系統(tǒng)以溫差發(fā)電片作為發(fā)電模塊，使得該系統(tǒng)亦具有便于攜帶，成本低等優(yōu)點。通過對系統(tǒng)的設(shè)計、對熱端燃料的選擇、對冷端水流速，水流量等因素的控制，以及對系統(tǒng)進行的仿真和試驗分析，繪制出該發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率、熱電效率等相關(guān)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)旨在討論便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的可行性，為便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于溫室大棚等相關(guān)農(nóng)業(yè)場所提供相關(guān)依據(jù)。

1 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)

1.1 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及介紹

便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)是由導(dǎo)熱板，溫差發(fā)電片（thermoelectric generator，TEG），散熱系統(tǒng)，控制模塊，穩(wěn)壓模塊，蓄電池等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)中間是5 cm邊長且底面帶有小孔的無蓋立方體，以下稱為燃燒器，用于盛放燃料，是本發(fā)電系統(tǒng)熱源端；立方體的4個側(cè)面分別固定一片溫差發(fā)電片，每片TEG的尺寸是40 mm×40 mm×3.8 mm（長×寬×高）；無蓋立方體的外側(cè)是一個截面為5 cm×2.5 cm的散熱通道，以下稱為冷端腔體。該便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的總體尺寸可以收納到一個20 cm×20 cm×5 cm的長方體收納盒內(nèi)。

1.燃燒箱 2.冷端腔體 3.流量計 4.開關(guān) 5.水泵 6.水槽 7.顯示屏 8.控制模塊 9.DC-DC變換器 10.蓄電池 11.逆變器 12.用電設(shè)備 1.Combustion chamber 2.Cold end chamber 3.Flow meter 4.Switch 5.Water pump 6.Water tank 7.Display 8. Control module 9.DC-DC converter 10.Battery 11.Inverter 12.Electric equipment

由于本系統(tǒng)熱端溫度較高，選擇可耐高溫的4片半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊串聯(lián)，所選定的溫差電池各參數(shù)如表1所示。

表1 溫差電池參數(shù)

1.2 便攜式溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)單元簡介

圖2a為溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)單元的俯視圖，為使裝置的結(jié)構(gòu)清晰簡明，將裝置冷端腔體的蓋子去掉。導(dǎo)熱傳熱元件、扁平熱管及冷端銅管等裝置如圖2b所示。生物質(zhì)在燃燒器中燃燒時產(chǎn)生大量熱能，燃燒器壁將熱量傳遞給溫差發(fā)電片熱端，其冷端采用水冷散熱，由塞貝克效應(yīng)可知，當(dāng)TEG兩端存在溫差時即可產(chǎn)生電動勢[12]。為了增加裝置的導(dǎo)熱和散熱性能，采用扁平熱管增加傳熱效率，并在散熱銅管的側(cè)面安裝散熱器，增強冷端散熱。

a. 裝置的俯視圖 a. Top view of deviceb. 溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖 b. Schematic diagram of thermoelectric module structure

2 能量轉(zhuǎn)換與仿真分析

2.1 生物質(zhì)燃料在燃燒器中燃燒熱的計算

生物質(zhì)燃燒釋放熱量，可以通過其燃燒的熱化學(xué)反應(yīng)方程式計算產(chǎn)生的熱量，進而確定熱端溫度。燃燒熱是指在25 ℃、101 kPa條件下，單位物質(zhì)的量物質(zhì)燃燒生成穩(wěn)定的化合物時所釋放的熱量[13]。由上述可知，決定所釋放熱量的因素有：環(huán)境溫度、壓強、可燃物的物質(zhì)的量、助燃物的物質(zhì)的量、可燃物是否完全燃燒[14]。

生物質(zhì)中可燃物的主要成分是C、H、S[15]，若假設(shè)生物質(zhì)中的可燃物只有C、H、S，且在25 ℃，101 kPa條件下，可燃物完全反應(yīng)的化學(xué)方程式為

C在空氣中完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式

S在空氣中完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式

H在空氣中完全燃燒的熱化學(xué)方程式為

式（1）、（2）和（3）均是在理想狀態(tài)下，物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的熱量，若要計算本試驗中生物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的熱量，需要考慮外界溫度，氣壓等條件，還要考慮生物質(zhì)的成分，燃料是否完全燃燒，以及氧氣是否充足等相關(guān)因素。想要確定發(fā)電系統(tǒng)熱端溫度，除上述因素外，還需考慮熱量在傳遞過程中的損耗。

2.2 熱流量傳遞過程

為了分析梳理便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱傳遞過程，從而更好地利用熱能，為后續(xù)的研究提供可靠依據(jù)，根據(jù)能量守恒定律和熱傳導(dǎo)原理，建立如圖3所示熱網(wǎng)絡(luò)圖[13]。為使計算簡便，忽略溫差電池側(cè)壁與空氣之間的熱輻射[16]。

圖3 熱網(wǎng)絡(luò)圖

注：Q燃料燃燒理論熱量，J；1排煙熱損失，J；2化學(xué)不完全燃燒熱損失，J；3散熱等熱損失，J；Q系統(tǒng)熱端壁面理論接收熱量，J；TEG為溫差電池的吸熱量，J；con為溫差電池與熱管蒸發(fā)段間熱阻損耗的熱量，J；hp為熱管熱阻損耗的熱量，J；com為光伏電池與環(huán)境空氣的對流換熱量，J；rad為光伏電池與環(huán)境空氣的輻射換熱量，J；0為環(huán)境溫度，℃；T為理論獲得溫度，℃；T為溫差電池?zé)岫藴囟龋妫?i>T為溫差電池冷端溫度，℃；evap為熱管蒸發(fā)段溫度，℃；cond為熱管冷凝段溫度，℃。

Note:Qis fuel combustion theoretical heat, J;1is exhaust heat loss, J;2is heat loss of chemical incomplete combustion, J;3is heat loss and other heat loss, J;Qis system hot end wall theory receiving heat, J;TEGis heat absorption of thermoelectric generator, J;conis the heat loss between the temperature difference battery and the heat pipe evaporation section, J;hpis the heat loss of the heat pipe heat resistance, J;comis the convective heat transfer of the photovoltaic cell and the ambient air, J;radis the radiation heat exchange between photovoltaic cells and ambient air, J;0is the ambient temperature, ℃;Tis the theoretical mperature, ℃;Tis the temperature at hot end of thermoelectric power generation, ℃;is the temperature of the cold junction of the temperature difference, ℃;evapis the heat pipe evaporation section，℃;condis the temperature of the condensation section of the heat pipe, ℃.

Q為在25 ℃，101 kPa條件下，生物質(zhì)完全燃燒時產(chǎn)生的熱量；式（4）中1為排煙熱損失，%；2為化學(xué)不完全燃燒熱損失，%；3為散熱熱損失，%；4為固體未完全燃燒熱損失，%[17]；所以系統(tǒng)的燃燒熱效率為：

已知系統(tǒng)熱效率，進而可知燃燒器接收到的總熱量Q，除上述的熱損失以外，還有一些其他的熱損失未計算在內(nèi)，所以式（5）中增加一個修正系數(shù)，<1。

式中為修正系數(shù)；

由于燃燒器壁與外界存在熱交換，即存在熱對流和熱輻射，其大小可用公式（6）和（7）計算：

式中rad為熱輻射換熱系數(shù)，W/(m2×K)；com為熱對流換熱系數(shù)，W/(m2×K)；A為散熱表面積，m2。溫差發(fā)電時需要消耗一部分熱。其計算公式如下

T為溫差發(fā)電片熱端溫度，℃；T為溫差發(fā)電片冷端溫度，℃；TEG為溫差發(fā)電片熱阻，℃/W。溫差發(fā)電片與熱管之間接觸在，使之產(chǎn)生熱量損失[18]，其表達式如下：

式中evap為溫差發(fā)電片熱端溫度，℃；con為溫差發(fā)電片與熱管之間接觸熱阻[19]，℃/W；

式中cond為熱管冷凝段溫度，℃；hp為熱管熱阻，℃/W。

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 冷端溫度場仿真分析

系統(tǒng)熱端溫度通過生物質(zhì)燃燒熱的產(chǎn)生和傳遞可進一步測算獲得。而本系統(tǒng)冷端溫度分布是否均勻尚未可知，通過直接測算獲取冷端溫度準確性差，且費時費力效率低。冷端溫度的分布影響系統(tǒng)的發(fā)電量及發(fā)電效率，所以對溫差發(fā)電元件冷端溫度場進行仿真分析十分必要。冷端溫度分布與冷卻水流量及冷卻水溫度有關(guān)，在仿真過程中需要設(shè)定各參數(shù)，以獲得溫差發(fā)電片冷端的溫度場分布情況及系統(tǒng)的輸出電壓及電流等參數(shù)，進一步確定和研究發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率、熱電性能及系統(tǒng)的最優(yōu)冷卻水流速等。根據(jù)表1中所示的各參數(shù)，設(shè)定溫差發(fā)電片熱端溫度T為250 ℃，環(huán)境溫度0為25 ℃，0的數(shù)值設(shè)定為進水口處冷卻水溫度值，本試驗設(shè)定進水口處冷卻水溫度值始終為0，當(dāng)冷端流速為0.008 m/s時。利用ANSYS workbench18.0有限元軟件建立冷端溫度場模型，模擬溫度分布規(guī)律如圖4，建立溫差發(fā)電數(shù)學(xué)模型，繪制單個溫差發(fā)電片隨冷端水流速變化所產(chǎn)生的電流電壓的變化曲線，如圖5所示。單個溫差片的總輸出功率及凈輸出功率變化曲線，如圖6所示：

圖4為第一個壁面冷端的模擬溫度場分布規(guī)律?？梢钥闯?，溫差發(fā)電模塊冷端溫度逐漸升高，從25.029 ℃開始呈階梯變化，逐漸升高至42.187 ℃。說明冷端的溫度逐漸上升，冷端不是一個均勻的溫度場。

圖4 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)模擬溫度場分布規(guī)律

圖5 輸出電壓和電流的變化曲線

圖6 不同流速下的功率變化

如圖5所示，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，用光滑的曲線繪制單個溫差發(fā)電片的輸出電壓和電流的變化曲線，由圖5可以分析出，隨著冷端水流速的增大，單個溫差發(fā)電片的最大輸出電壓和電流先增大后逐漸趨于平緩，由此可以看出當(dāng)冷端水流速不斷增加時，輸出電壓和電流增加幅度逐漸減小。

假設(shè)其余3塊溫差片均與第一片溫差片產(chǎn)生相同的電功率，則系統(tǒng)的輸出功率如圖6所示。隨著冷端散熱水流速的增加，所需要的水泵驅(qū)動功率逐漸增大，系統(tǒng)發(fā)出的總功率先增大后逐漸趨于平緩，凈功率先增大后減小，從圖中可以看出當(dāng)冷端冷卻水流速約為0.011 3 m/s時，系統(tǒng)的凈輸出功率為9.70 W，為系統(tǒng)的最大凈輸出功率。

2.3.2 DC-DC變換器的仿真

由2.3.1的仿真數(shù)據(jù)圖5可知，系統(tǒng)輸出電壓小于蓄電池的充電電壓15 V，若要滿足蓄電池充電條件，使系統(tǒng)可以對外提供穩(wěn)定的電壓。系統(tǒng)需通過升壓電路使電壓達到15 V。為驗證升壓電路的可靠性，縮減試驗成本，本文通過simulink對DC-DC部分進行仿真試驗，驗證系統(tǒng)的充電功能，圖7為仿真搭建結(jié)構(gòu)圖。

圖7 仿真搭建結(jié)構(gòu)圖

在輸出端輸入0～14 V之間任意電壓，輸出結(jié)果如圖8所示：

圖8 輸出電壓曲線

由圖8可知，在0.005 s的時間內(nèi)電壓即可穩(wěn)定在15 V。仿真結(jié)果滿足蓄電池的充電要求。

3 試驗平臺的搭建與設(shè)計

3.1 試驗平臺的搭建

為了驗證本系統(tǒng)的可靠性，測量本系統(tǒng)的各輸出值，并使本系統(tǒng)的輸出功率始終接近最大值，選取溫差發(fā)電片、酒精塊、小水泵、扁平熱管等試驗設(shè)備以完成此次試驗研究。測試地點為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（45°72′N，126°68′E）；測試時間為2019年7月13日，此時環(huán)境溫度為21 ℃。

測量的主要參數(shù)為TEG熱、冷端溫度，環(huán)境溫度、冷卻水流速，輸出電壓電流等，用以進一步研究系統(tǒng)的輸出功率和系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率等性能。試驗系統(tǒng)的硬件構(gòu)成原理圖如圖9a所示。整個裝置實物連接圖如圖9b。所示某一時刻顯示的熱端和冷端溫度如圖9c所示。

系統(tǒng)通過單片機STM32收集溫度傳感器上的信號，最終在液晶顯示屏上顯示出來，溫度傳感器1～4均勻分布在4個壁面的導(dǎo)熱硅脂上，測量結(jié)果的平均值作為TEG熱端平均溫度T1；5～8布置在熱管下表面，測量結(jié)果取均值作為TEG的冷端平均溫度T1[20]；所產(chǎn)生的電能先接到最大功率追蹤芯片(maximum power point tracking，MPPT)上，后連接DC-DC變換器，最終接在蓄電池上為蓄電池充電或直接為用電設(shè)備供電。如圖9c為液晶顯示屏在某一時刻顯示的熱端和冷端溫度。

圖9 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)

3.2 裝置熱端的設(shè)計

為使試驗便于操作，本試驗使用酒精塊代替生物質(zhì)為熱端提供熱能。燃燒箱可以放置1～2塊酒精塊。由表 1可知，溫差發(fā)電片熱端能承受的最高溫度為300 ℃。所以分別在裝置的燃料箱中放置1塊和2塊酒精塊，分別測試熱端溫度。其溫度變化曲線圖如圖10所示：

圖10 系統(tǒng)熱端溫度變化曲線

由圖10可知，由1塊酒精塊燃燒時熱端溫度變化曲線可知，曲線的最高溫度為223.7℃，300 s后回落并穩(wěn)定在200 ℃左右，維持大約150 s，后溫度逐漸降低。由2塊酒精塊燃燒時熱端溫度變化曲線，在200～250 s之間溫度達到最高，最高溫為270.1 ℃，400 s后溫度回落并穩(wěn)定在250 ℃左右，并維持大約200 s，后溫度逐漸降低。2種燃料投放方式所產(chǎn)生的最高溫度均未超過300 ℃，2 塊酒精塊燃燒產(chǎn)生的平均溫度較1塊酒精塊所產(chǎn)生的平均溫度高19.36%，且燃燒相對持久，若在熱端溫度相對穩(wěn)定的時刻，持續(xù)向燃料箱中投放燃料，使熱端維持燃燒，則可將熱端溫度維持在250 ℃左右。該處實際溫度與2.3.1中ANSYS熱力學(xué)仿真熱端溫度基本保持一致，此環(huán)境可以實現(xiàn)仿真中預(yù)計的熱端環(huán)境。此處具有較高且較穩(wěn)定的熱端溫度，有助于提高系統(tǒng)的發(fā)電量。所以本試驗選擇2塊酒精塊同時燃燒為溫差發(fā)電系統(tǒng)熱端提供熱量。

3.3 裝置冷端的設(shè)計

3.3.1 冷端水流速的最優(yōu)設(shè)計

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)熱端溫度為250 ℃時，冷端冷卻水流速為0.011 3 m/s時，系統(tǒng)輸出的凈功率最大。分別選擇水流速為0.009 5、0.011 3和0.012 3 m/s的水泵。每隔50 s測量并記錄系統(tǒng)的凈輸出功率。為使結(jié)果清晰簡明，由圖10可知前250 s溫度能達到最高，即功率可達最大，僅選擇試驗的前250 s進行測量，結(jié)果如圖11a所示。

圖11 不同影響因素下的功率變化曲線

半導(dǎo)體溫差發(fā)電的主要元件就是半導(dǎo)體溫差發(fā)電片它是由許多的PN結(jié)串聯(lián)輸出電壓的元件，PN節(jié)高溫端和低溫端之間存在溫差時，其兩端會產(chǎn)生電動勢[21]

式中為PN結(jié)塞貝克系數(shù)，T為熱端溫度，℃，T為冷端溫度，℃。其輸出電壓為0

式中為PN結(jié)內(nèi)阻，Ω，R為外加負載，Ω。當(dāng)外阻為R時，此時電流為

其輸出功率

由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知R=R時[22]，輸出功率最大max

圖11a為試驗前250 s，在不同流速下的輸出功率。由圖11a可知，隨著試驗的進行，溫度逐漸升高，輸出功率逐漸增大。初始約150 s時，流速較小的輸出功率較大；后隨著溫度繼續(xù)升高，流速較大的輸出功率較大；即熱端溫度越高時，流速適當(dāng)增大，輸出功率增大。經(jīng)計算，整個燃燒過程，流速為0.011 3 m/s時，平均凈輸出功率最大，與2.3.1中仿真得出的最佳流速保持一致，說明仿真結(jié)果與試驗結(jié)果具有高度的一致性，進一步說明試驗具有可靠性。流速為0.011 3 m/s時的平均輸出功率比流速為0.009 5 m/s時的平均凈輸出功率高13.95%，比流速為0.012 3 m/s時的平均功率比功率大3.92%。本試驗選擇0.6 W的小水泵，經(jīng)計算其可產(chǎn)生約為0.011 3 m/s的冷卻水流速。

3.3.2 冷端水量的最優(yōu)設(shè)計

由圖10可知，熱端溫度在試驗開始約400 s后可以維持在大約250 ℃，持續(xù)時間約200 s。在該段時間內(nèi)可近似認為熱端溫度為恒量，當(dāng)流速為0.011 3 m/s時，測試水量對輸出功率的影響。為使得系統(tǒng)具有便攜性，設(shè)置所用水量不超過2 L。分別選擇1、1.5、2 L的水量，待水溫達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測試隨水流速變化的輸出功率。

由圖11b可知，在同一流速下，水量越大，輸出功率越大。當(dāng)流速為0.011 3 m/s且有2 L水量時，輸出功率為9.68 W，比同流速下1.5 L水量時的輸出功率大1.18 W，比同流速下1 L水量時的輸出功率大2.08 W。根據(jù)2.3.1的仿真結(jié)果可知，在忽略冷端水量，即忽略冷卻水溫度上升造成的影響時，系統(tǒng)的最大輸出功率為9.70 W，與本試驗中的試驗結(jié)果9.68 W相差不大，說明當(dāng)冷端水量達到2 L時，本試驗可基本不受冷端水量的影響，即冷端水循環(huán)一次后，再次進入循環(huán)時溫度基本不上升。所以本試驗平臺選擇2 L水作為冷卻水。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 電路構(gòu)成圖

系統(tǒng)電路構(gòu)成如圖12所示，電能輸出后，連接MPPT芯片和DC-DC變換裝置，后為蓄電池充電或為用電設(shè)備供電。

圖12 系統(tǒng)電路構(gòu)成圖

本電路使用STM32單片機采集系統(tǒng)輸出的電壓電流，基于比例積分微分雙環(huán)控制（poportional integral differentive，PID），通過脈寬調(diào)制技術(shù)(pulse width modulation，PWM)控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，以使得電壓穩(wěn)定輸出。

4.2 負載特性分析

為測量系統(tǒng)的輸出特性，由表2可知，試驗開始第400～500 s時熱端溫度相對穩(wěn)定，溫差系統(tǒng)未經(jīng)過穩(wěn)壓模塊時，測算出該狀態(tài)下系統(tǒng)的內(nèi)阻，如表2所示。隨著溫差變化，溫差發(fā)電片的內(nèi)阻不斷變化[23]，因此無法直接在外電路連接一個與內(nèi)阻阻值等大的外阻，以獲得最大輸出功率。本文在電能發(fā)出后，僅通過MPPT芯片獲得系統(tǒng)最大輸出功率，未經(jīng)過穩(wěn)壓模塊時，系統(tǒng)整個發(fā)電過程輸出電壓電流如圖13a所示。經(jīng)穩(wěn)壓后，重新測得系統(tǒng)整個發(fā)電過程輸出的電壓電流如圖13b所示。

表2 系統(tǒng)輸出參數(shù)

表2為溫差約為166.5～169.3 ℃時測得的內(nèi)阻，由表2可知，當(dāng)外接電阻為38 Ω時，系統(tǒng)的輸出功率最大且為8.755 W，可知此時系統(tǒng)的內(nèi)阻約為38 Ω。

圖13a是系統(tǒng)四片溫差發(fā)電片串聯(lián)后未經(jīng)過穩(wěn)壓模塊時輸出的電壓和電流，由圖13a可知系統(tǒng)的輸出電壓最大為10.86 V，最大電流為1.103 A。圖13b是系統(tǒng)四片溫差發(fā)電片串穩(wěn)壓后的輸出電壓和電流，由圖13b可知系統(tǒng)的輸出電壓最大約為15 V，最大電流為0.606 A。此處經(jīng)DC-DC變換后，輸出電壓穩(wěn)定在15 V左右，與Simulink仿真結(jié)果基本一致，說明試驗的DC-DC升壓電路可實現(xiàn)電壓穩(wěn)定，滿足蓄電池的充電條件。

4.3 系統(tǒng)功率和效率分析

由3.2和3.3可知，本系統(tǒng)最佳的冷熱端搭配為：熱端選用2塊酒精塊同時燃燒提供熱源，冷端采用0.6 W的小水泵。水量選擇2 L，試驗結(jié)果如圖13c所示。

由圖13c可知系統(tǒng)的輸出功率先增大后減小，輸出功率與冷熱端溫差的變化趨勢基本一致，最大輸出功率為10.7 W。系統(tǒng)的效率在50 s時最大，瞬時效率最高可達5.73%，隨后效率逐漸減小至4.39%，后有小幅上升，最后趨于平緩并有下降趨勢。由圖10可知，熱端溫度峰值前后存在某兩點溫度值相等，經(jīng)計算溫差走勢與熱端溫度走勢基本一致，即溫差峰值前后存在溫差相等的2個時間點，由圖13c可知溫差峰值前的熱電效率較高，說明溫差相同時，冷端溫度對溫差發(fā)電片熱電效率的影響較大。

圖13 系統(tǒng)效率、輸出功率及穩(wěn)壓前后電壓電流輸出

4.4 性能對比分析

選擇某款市售Bio Lite Camp Stove便攜式發(fā)電爐與本系統(tǒng)進行比較，如表3所示。

由表3可知，2個發(fā)電系統(tǒng)尺寸相當(dāng)，本系統(tǒng)稍有優(yōu)勢，當(dāng)系統(tǒng)為最大輸出功率時，本系統(tǒng)單位體積發(fā)電量為0.005 35 W/cm3，市售系統(tǒng)單位體積發(fā)電量為0.000 886 5 W/cm3。本系統(tǒng)采用水冷散熱，冷卻水加重了便攜式發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量，使便攜性有所下降，但當(dāng)系統(tǒng)為最大輸出功率時，本系統(tǒng)的發(fā)電量為0.004 15 W/g。市售系統(tǒng)的發(fā)電量為0.003 21 W/g。就發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能而言，本系統(tǒng)輸出功率較大，是比較產(chǎn)品的2.57倍，能向外輸出更多的電能。由此可知本系統(tǒng)綜合發(fā)電性能較高。

表3 系統(tǒng)參數(shù)比較

5 結(jié) 論

由于試驗條件和時間的限制，本文僅設(shè)計了一種便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以利用生物質(zhì)燃燒時產(chǎn)生的大量的熱能，作為系統(tǒng)的熱源，采用水冷方式為系統(tǒng)冷端散熱，利用微熱管增強導(dǎo)熱效果。針對該系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，通過ANSYS workbench18.0有限元軟件對該系統(tǒng)進行仿真，并通過試驗進行驗證，得出以下結(jié)論：

1）該系統(tǒng)直接利用燃燒取熱，熱端溫度最高能達到270.1 ℃，相比于太陽能等其他熱源，該熱源具有溫度高，基本不受時間地域限制等優(yōu)點，同時，該系統(tǒng)采用扁平熱管進行傳熱，使冷端散熱效果更好，該系統(tǒng)的熱效率最高可達5.73%。

2）與現(xiàn)有的便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，單位體積發(fā)電量較大，最大輸出功率為10.7 W，基本滿足溫室大棚的小功率用電設(shè)備的用電需求。此發(fā)電系統(tǒng)可以為溫室大棚在極端條件下提供電能，同時能為作物生長提供部分熱能。由于試驗條件和研究時間的限制，本文僅設(shè)計了一款只有4片溫差發(fā)電片的便攜式發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電量較小，僅適合在緊急或極端條件下為必需的用電設(shè)備供電。該發(fā)電系統(tǒng)為便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的研究提供了相關(guān)參考，也為溫室大棚的供電問題提供了新思路。

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Design and experiment of portable thermoelectric power generation system in greenhouse

Wang Lishu, Wang Lijiao, Qiao Shuaixiang, Xu Yanlin, Jia Hongdan, Xie Xinze

(150030,)

Greenhouses in remote areas have difficulty to access power. This paper aims to resolve this problem with a new system that can supply electricity to low-power devices such as energy-saving lamps, temperature and humidity monitoring system, digital equipment and other electrical equipment in greenhouses in remote areas. Current power supply to greenhouses uses distributed energy sources from wind and solar, which are not portable and susceptible to environmental changes. Under certain circumstances, power supplied from these systems is insufficient or even fails. As such, there is an increase in developing portable power generation systems. For example, in China, portable multi-purpose photovoltaic power generation system had been developed for agricultural production using remote-control system (programmable logic controller, PLC) to monitor pumping stations. There was also portable multi-power source power generation system to compliment wind power, solar energy and hand-cranked energy generation. Devices to generate powerusing the difference in temperature between human body and ambient environment exist, which are powerful enough to power LED lights. Another portable device is to generate thermal energy by burning combustiblesin the field. All these portable devices have their pros and cons and the purpose of this paper is to present a new portable thermoelectric power generation system. The size of the system was 20 cm × 20 cm × 5 cm weighted 2580 grams, and its energy sources was from combusting biomass. A flat heat pipe was used for thermal conduction. We simulated performance of the system using the ANSYS, and set an experimental platform to test it. The experimental data showed that the highest temperature at the hot end of the system was 270.1 ℃, the maximum power output was 10.7 W, and the electrical efficiency was 5.73%. The results also revealed that the system had advantages of high hot-end temperature and high thermoelectric efficiency. It can generate electricity under extreme conditions in remote areas. Numerical and experimental analysis of various inputs and outputs indicated that the system is portable, the hot end temperature is high, and the thermoelectric efficiency is high. It provides a baseline for study of portable power generation system.

temperature difference; power generation; greenhouse; portable; heat conversion

王立舒，王麗嬌，喬帥翔，徐艷林，賈紅丹，解鑫澤. 溫室便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(1)：235－244. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.028 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Wang Lijiao, Qiao Shuaixiang, Xu Yanlin, Jia Hongdan, Xie Xinze. Design and experiment of portable thermoelectric power generation system in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 235－244. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.028 http://www.tcsae.org

2019-09-28

2019-11-30

教育部春暉計劃（Z2012074）；黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

王立舒，教授，博士，博導(dǎo)。研究方向為農(nóng)業(yè)電氣化與自動化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.028

TM913

A

1002-6819(2020)-01-0235-10