第 36 卷 第 1 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 V ol 36 No 1 2020 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2020 235 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 摘 要 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) 關(guān)鍵詞 溫差 發(fā)電 溫室 便攜式 熱量轉(zhuǎn)換 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 01 028 中圖分類號 TM913 文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2020 01 0235 10 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 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 Fanciulli 8 建立并表征了 收稿日期 2019 09 28 修訂日期 2019 11 30 基金項目 教育部春暉計劃 Z2012074 黑龍江省教育廳科技課題 12521038 作者簡介 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 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?這種便 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 236 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 圖 1 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Schematic diagram of portable thermoelectric power generation system 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) Table 1 Temperature difference battery parameters 參數(shù) Parameters 數(shù)值 Value 溫差電池型號 Number of thermoelectric modules TEP1 142T300 受熱面最高溫度 Maximum temperature of heating surface 300 內(nèi)阻 Internal resistance 3 3 4 3 熱阻 Thermal resistance W 1 1 79 塞貝克系數(shù) Seebeck coefficient 1 0 058 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 device b 溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖 b Schematic diagram of thermoelectric module structure 1 燃燒器 2 冷端腔體 3 溫差發(fā)電片 4 助燃小孔 5 進水口 6 出水口 7 燃燒器壁 8 導(dǎo)熱硅脂 9 微熱管陣列 10 銅管 11 散熱器 1 Burner 2 Cold end chamber 3 Temperature difference power generation piece 4 Combustion hole 5 Water inlet 6 Water outlet 7 Burner wall 8 Thermal grease 9 Micro heat pipe array 10 Copper tube 11 Heat dissipation device 圖 2 便攜式溫差發(fā)電單元結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 2 Schematic diagram of portable thermoelectric power generation unit 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 2 2 C O CO 395 650J mol 1 S 在空氣中完全燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式 2 2 S O SO 294 750J mol 2 H 在空氣中完全燃燒的熱化學(xué)方程式為 2 2 2 2H O 2H O 24176J mol 3 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 Fig 3 Thermal network diagram 注 Q Z 燃料燃燒理論熱量 J Q 1 排煙熱損失 J Q 2化學(xué)不完全燃燒熱損 失 J Q 3 散熱等熱損失 J Q h 系統(tǒng)熱端壁面理論接收熱量 J Q TEG 為 溫差電池的吸熱量 J Q con為溫差電池與熱管蒸發(fā)段間熱阻損耗的熱量 J Q hp為熱管熱阻損耗的熱量 J Q com 為光伏電池與環(huán)境空氣的對流換熱量 J Q rad 為光伏電池與環(huán)境空氣的輻射換熱量 J T 0 為環(huán)境溫度 T z 為理論獲得溫度 T h為溫差電池?zé)岫藴囟?T c為溫差電池冷端溫 度 T evap 為熱管蒸發(fā)段溫度 T cond 為熱管冷凝段溫度 Note Q Z is fuel combustion theoretical heat J Q 1 is exhaust heat loss J Q 2 is heat loss of chemical incomplete combustion J Q 3 is heat loss and other heat loss J Q h is system hot end wall theory receiving heat J Q TEG is heat absorption of thermoelectric generator J Q con is the heat loss between the temperature difference battery and the heat pipe evaporation section J Q hp is the heat loss of the heat pipe heat resistance J Q com is the convective heat transfer of the photovoltaic cell and the ambient air J Q rad is the radiation heat exchange between photovoltaic cells and ambient air J T 0 is the ambient temperature T z is the theoretical mperature T h is the temperature at hot end of thermoelectric power generation Tc is the temperature of the cold junction of the temperature difference T evap is the heat pipe evaporation section T cond is the temperature of the condensation section of the heat pipe Q Z 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 Q 1 為排煙熱損失 Q 2 為化學(xué) 第 1 期 王立舒等 溫室便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 237 不完全燃燒熱損失 Q 3 為散熱熱損失 Q 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 1 2 3 4 1 Q Q Q Q 4 已知系統(tǒng)熱效率 進而可知燃燒器接收到的總熱量 Q h 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 h Z Q Q 5 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 rad rad 1 0 p Q h T T A 6 com com 1 0 p Q h T T A 7 式中 h rad 為熱輻射換熱系數(shù) W m 2 K h com 為熱對流換 熱系數(shù) W m 2 K A p 為散熱表面積 m 2 溫差發(fā)電時 需要消耗一部分熱 其計算公式如下 ETG TEG h c Q T T R 8 T h 為溫差發(fā)電片熱端溫度 T c 為溫差發(fā)電片冷 端溫度 R 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 con evap con c Q T T R 9 式中 T evap 為溫差發(fā)電片熱端溫度 R con 為溫差發(fā)電片 與熱管之間接觸熱阻 19 W hp evap cond hp Q T T R 10 式中 T cond 為熱管冷凝段溫度 R 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(zhǔn)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 h 為 250 環(huán)境溫度 T 0 為 25 T 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 T 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 可 以看出 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 Fig 4 Simulation of temperature field distribution in portable thermoelectric power generation system 圖 5 輸出電壓和電流的變化曲線 Fig 5 Change curve of output voltage and current 圖 6 不同流速下的功率變化 Fig 6 Power change at different flow rates 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 238 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 Fig 7 Structure diagram of simulation building 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 Fig 8 Output voltage curve 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 T 1 T 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 T h1 T 5 T 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 T c1 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 注 T 1 T 4 熱端傳感器 T 5 T 8 冷端傳感器 TEG 溫差發(fā)電片 Note T 1 T 4 are hot end sensor T 5 T 8 are cold end sensor TEG are temperature difference generator a 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)硬件構(gòu)成原理圖 a Schematic diagram of hardware composition of portable thermoelectric power generation system 1 溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)單元 2 水槽 3 顯示屏 4 STM32 單片機 5 DC DC 變換 器 6 MPPT芯片 7 蓄電池 1 Temperature difference power generation structural unit 2 Water tank 3 Display screen 4 STM32 microcontroller 5 DC DC converter 6 MPPT chip 7 Battery b 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)測試 b Test of portable thermoelectric power generation system c 溫度顯示界面 c Temperature display interface 圖 9 便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng) Fig 9 Portable thermoelectric power generation system 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 Fig 10 Temperature curve at hot end of system 第 1 期 王立舒等 溫室便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 239 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 a 不同流速 a Different flow rates b 不同水量 b Different water volumes 圖 11 不同影響因素下的功率變化曲線 Fig 11 Power variation curves under different influencing factors 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 U 21 h c U T T 11 式中 為 PN 結(jié)塞貝克系數(shù) T h 為熱端溫度 T c 為 冷端溫度 其輸出電壓為 U 0 0 L h c L R U T T R R 12 式中 R 為 PN 結(jié)內(nèi)阻 R L 為外加負載 當(dāng)外阻為 R L 時 此時電流為 I h c L T T I R R 13 其輸出功率 P 2 2 0 2 h c L L T T R P IU R R 14 由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知 R R L 時 22 輸出功率最大 P max 2 2 max 4 h c T T P R 15 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 240 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 a 升壓電路拓撲結(jié)構(gòu) a Boost circuit topology b 單片機及單片機外圍電路 b SCM single chip microcomputer and SCM peripheral circuits c 單片機輔助供電電路 c SCM auxiliary power supply circuit 圖 12 系統(tǒng)電路構(gòu)成圖 Fig 12 System circuit diagram 第 1 期 王立舒等 溫室便攜式溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 241 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) Table 2 System output parameters 時間 Time s 熱端溫度 Hot end temperature 冷端溫度 Cold end temperature 溫差 Temperature difference 外接電阻 External resistance 輸出 電壓 Output voltage V 輸出 功率 Output power W 400 251 3 82 169 3 20 9 54 7 947 410 251 3 82 2 169 1 30 9 13 8 653 420 251 3 82 4 168 9 34 9 13 8 747 430 251 2 82 5 168 7 38 9 12 8 755 440 251 1 82 7 168 4 40 9 09 8 692 450 251 1 83 0 168 1 42 9 49 8 657 460 251 0 83 3 167 7 46 9 06 8 562 470 250 9 83 6 167 3 50 9 04 8 442 480 250 9 84 166 9 60 9 03 8 151 490 250 5 84 166 5 70 9 40 8 778 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 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 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 令平均溫度 2 h c T T T 時 最大的熱電轉(zhuǎn)換效率 為 max max 1 1 1 h c h h c T T ZT T T ZT T 16 式中 Z 稱為 熱電優(yōu)值 2 Z k 為電導(dǎo)率 S cm k 為熱導(dǎo)率 W m K 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 a 穩(wěn)壓前電壓電流輸出 a Voltage and current output before voltage stabilization b 穩(wěn)壓后電壓電流輸出 b Voltage and current output after voltage stabilization c 系統(tǒng)的熱電效率和輸出功率 c Thermoelectric efficiency and output power of system 圖 13 系統(tǒng)效率 輸出功率及穩(wěn)壓前后電壓電流輸出 Fig 13 System efficiency output power and voltage and current output before and after voltage stabilization 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 cm 3 市售系統(tǒng)單位體積發(fā)電量 為 0 000 886 5 W cm 3 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2020 年 242 知本系統(tǒng)綜合發(fā)電性能較高 表 3 系統(tǒng)參數(shù)比較 Table 3 System parameters comparison 系統(tǒng) System 質(zhì)量 Mass g 尺寸 Size cm cm cm 冷端散熱方式 Cold end cooling method 最大輸出功率 Maximum power P max W 市售系統(tǒng) System for commercial 935 12 7 12 7 21 風(fēng)冷 3 0 本系統(tǒng) This system 2580 20 20 5 水冷 10 7 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