便攜式溫差發電裝置性能研究

梁 翔, 倪 靖, 王文棚, 李 莎, 雷曉波, 張勤勇

(西華大學 先進材料及能源研究中心, 四川 成都 610039)

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便攜式溫差發電裝置性能研究

梁 翔, 倪 靖, 王文棚, 李 莎, 雷曉波, 張勤勇

(西華大學 先進材料及能源研究中心, 四川 成都 610039)

基于溫差發電原理設計、制作用于野外緊急充電的便攜式溫差發電裝置，將野外可燃物產生的熱能作為熱源,直接將熱能轉化為電能,并利用一部分自發電驅動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碼設備充電。以塞貝克效應為基礎,主要討論了散熱端水量、水流速度等對溫差電勢的影響以及裝置熱端加熱的最佳搭配方式。測試結果表明,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低溫發電模組組成的發電裝置最大的發電功率為3.5～4 W,單位面積發電功率為580 W/m-2。

溫差發電； 塞貝克效應； 緊急充電

野外探險、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電裝置。在野外,太陽能和可燃燒物質化學能是兩種方便的能源,如何將其轉換為電能是小型發電裝置開發關注的焦點。在太陽能轉化為電能方面,盡管市場上已有小面積光伏電池發電器,但因太陽光的能量密度較低、陰雨天和夜晚環境下無法使用,尚不能作為可靠的備用電源。也有將太陽聚光生熱而利用塞貝克效應發電的發電器[1],但由于需要隨身攜帶體積較大的聚光器,無法實現便攜。在可燃物質化學能轉換為電能方面,徐維崢等[2]設計了利用燃燒熱能的斯特林發電機,但沒有相關性能數據；黃學章等[3]設計了小巧便攜的冷端為風冷散熱的野外溫差發電裝置,在采用四片溫差發電片的情況下,可輸出4.2～5.8 V的直流電,顯示了利用溫差發電原理開發便攜式野外備用電源的潛力。

溫差發電是一種基于塞貝克效應將熱能轉化為電能的技術,即在溫差發電片或熱電片兩端有溫差時,能直接將能量密度遠遠高于太陽光的火焰能量轉換為電能,且熱-電轉換效率和功率隨溫差增大而增大[4]。溫差發電裝置可以實現便攜目的,并且不受氣候和有無日照的限制,因此非常適合用來設計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電片僅能工作在250 ℃以內,且熱-電轉換效率低于4%[5]。因此,對熱電發電片而言,其熱端接收火焰能量,熱電材料將其部分轉化為電能,而冷端必須以適當的方式將96%以上的熱量快速散走以保持兩端有適當的溫差,確保發電過程可持續進行。傳熱學表明水冷散熱的換熱系數是風冷散熱的100～1 000倍[6]。因此在溫差發電模組的冷端采用水冷散熱較風冷散熱可增加模組兩端的溫差,提高模組的發電功率[7-8]。

因此本文設計野外便攜式溫差發電裝置,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電片將其部分轉換為電能,并測試了散熱端水溫、流速和流量等因素對裝置發電功率的影響，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。所設計制作的野外便攜式溫差發電裝置體積小、質量輕、可全天候工作,發電功率約4 W,能滿足野外電子數碼設備小功率充電的需求。

1 溫差發電原理

在兩種不同導體或半導體構成的回路中,當兩個節點溫度不同時,兩節點將產生電勢差,并在閉合回路中形成電流,稱為塞貝克效應(Seebeck effect)。單位溫度內的電壓值即為塞貝克系數。由于半導體材料的塞貝克系數通常為數十到數百微伏每開爾文,比金屬導體的大1～2個數量級,因此熱電材料以半導體為主。半導體材料導電類型有p型和n型,因而其塞貝克系數也有正有負,反映了在相同溫度梯度下的電壓方向。將n型和p型熱電半導體用導體(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,制成溫差發電片,第一個與最末一個熱電半導體引線之間的電壓值將是所有熱電偶電壓值之和,達到伏特數量級,從而具備應用基礎。圖1為溫差發電結構原理.

圖1 溫差發電結構原理

溫差發電片的有用功率為

其中,α為塞貝克系數,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為負載電阻。

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

2 野外便攜式溫差發電裝置

本發電裝置主要由可折疊的燃燒支架、核心發電組件和水循環系統組成。其中核心發電組件從下而上依次是1 mm厚的鋁制受熱板、溫差發電模組、水冷塊,各部分間通過導熱雙面膠粘接牢固。在野外環境下,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。自發電所驅動的小水泵帶動水循環系統中的冷卻水依次循環流經進水軟管、緊貼于溫差發電片冷端的水冷塊以及出水管,帶走發電片冷端的熱量,以此穩定發電片兩端的溫差,使裝置可以長時間高效工作。除去供給小水泵的電能外，剩余的電能經過USB模塊對外輸出。裝置結構如圖2所示。為顯示方便,圖2中把發電組件倒置。實際使用中,需將鋁制受熱板緊貼火架,使核心發電組件緊貼熱源。

圖2 野外便攜式溫差發電裝置

3 野外便攜式溫差發電裝置性能

目前市場上常見的溫差發電片為低溫溫差發電片,因受電極焊料熔點的影響,低溫溫差發電片一般要求器件熱端的溫度不高于250 ℃。因此本文通過調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,并讓外界冷水補充進入水冷塊。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。為了探究各個因素對裝置發電功率的影響,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,測試裝置發電效果,同時對火架高度與固體酒精使用方式進行了探討。本實驗中采用了BK Precision 8500型號的電子負載作為裝置的外負載，以及LP3005D型號電源為水泵供電,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

本實驗主要探究火架高度的選取與固體酒精添加數量的關系,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間提供參考。本實驗中使用的固體酒精每塊質量均為25 g,設置火架高度依次為10、15、20、25 cm,向火架中依次投入固體酒精數量分別為1、2、3塊固體酒精。當酒精在火架中開始燃燒時每隔40 s使用熱電偶的探針探測受熱金屬板表面中心的溫度θ,待溫度值穩定時記錄下受熱板的溫度。直至投入的固體酒精完全燃燒為止。測試結果見圖3。

圖3 固體酒精燃燒溫度特性

以150～250 ℃為裝置有效工作區間,則由圖3可以得出各測試條件所對應的有效工作區間及單位酒精的有效工作時間，結果見表1。

表1 熱源特性

從表1中可以看出:當酒精數量為1塊、燃燒架高度為10 cm時,單塊固體酒精下的有效工作時間最長,約為720 s,即12 min,與其他搭配方式相比具有明顯的時間優勢。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,且時間較短,對裝置的使用安全性、使用壽命影響最小。除時間優勢外,該搭配方式的單塊酒精利用率最高,經濟性最好,25 g的固體酒精體積小、質量輕、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采用:1塊酒精+10 cm高的火架方式。盡管本文實驗采用酒精作為燃料,但實際在野外使用時,完全可以采用零散柴火作為燃料為裝置提供能源。

3.2 冷卻水水溫與時間的關系

增大器件冷熱兩端的溫差、延緩冷卻水水溫達到穩定的時間有利于延長裝置達到熱平衡，進而延長裝置高效發電的時間。將核心發電組件放置在實驗火架之上,往火架之中適時、持續不斷地加入適量的固體酒精讓發電組件熱端基本維持在200 ℃附近。 依次采用0.5、1、1.5、2 L的冷卻水對發電組件冷端進行冷卻,每隔3 min測一次水溫θ水,得到實驗曲線見圖4。

圖4 冷卻水水溫與時間的關系曲線

圖4中的各條曲線后期均逐漸平緩并最終趨于穩定值。因水冷塊外的冷卻水在裝置發電的過程中也在向四周空氣散熱,當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,水溫則穩定下來。從圖4還可看出，隨著水量的增加,冷卻水水溫穩定時的溫度明顯降低,且冷卻水達到穩定的時間越長,證明使用該裝置時采用較多的冷卻水能起到更好的冷卻效果。

3.3 冷卻水水流速度對發電電壓的影響

本裝置的冷卻方式采用的是自發電所帶動的小水泵驅動冷卻水流動的循環水散熱方式。依據傳熱學原理,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增大,將帶走更多的熱量,有利于提高裝置的發電功率。考慮到小水泵自身的啟動電壓為3 V及額定電壓,依次對小水泵提供4～10 V的電壓逐漸增大水泵電機的轉速,進而逐漸增大冷卻水的水流速度,并測出與之對應的器件發電電壓。實驗結果見圖5。

圖5 裝置發電電壓V與水泵供電電壓V泵的關系曲線

從圖5中可以看出，在4～8 V區間隨著水泵供電電壓的增加,裝置的熱電勢(發電電壓)增加較為明顯,在8 V之后裝置的熱電勢趨于平緩,可認為本裝置在提供8 V以上的供電電壓以后,裝置發電趨于穩定,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裝置熱電勢的提高影響較小,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提高的幅度增大。測得的水泵正常工作區間內的水流速度v與水泵供電電壓V泵的關系見圖6。

圖6 冷卻水流速與水泵電壓的關系曲線

依據傳熱學原理有

(1)

(2)

式中，h為換熱系數、Pr為普朗特系數、Re為雷諾數、c為系數、v為水流速度、ν為流體運動黏度。

3.4 水量對裝置發電功率的影響

往火架中按時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的冷卻水對器件散熱,待冷卻水水溫基本不變時,測裝置的輸出特性(發電功率P與電流I關系曲線),結果見圖7。

圖7 裝置的輸出特性

本裝置使用4片40 mm×40 mm的溫差發電片,其峰值發電功率約為3.7 W,單位面積發電功率為580 W/m2。與現市場上常見的單位面積最大發電功率約為200 W左右的太陽能電池板相比[12],在野外環境下本裝置具有單位面積輸出功率更大、攜帶更加方便、夜晚可發電的優勢。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電散熱需求。

4 結論

(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濟性、安全性、發電性能都能得到較好體現。

(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電功率最簡單、最經濟的方法。

(3) 在水泵正常運轉下,水泵驅動的水流速度對提高裝置發電功率影響很小,裝置正常工作的自發電所驅動的小水泵所帶動的水流速度已經基本滿足了水流速度對冷端口散熱的需求。

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

References)

[1] 趙吉慶,陳文娟.太陽能半導體溫差發電裝置研制[J].實驗技術與管理,2011,28(11):75-78.

[2] 徐維崢,鄭衛剛.基于熱能和光能的野外發電裝置設計[J].新能源,2013,29(3):49-51.

[3] 黃學章,徐冰,張韜,等.基于半導體溫差發電的數碼設備充電裝置[J],電源技術，2010，34(8):835-838.

[4] 全睿,譚保華,唐新峰.汽車溫差發電裝置中的熱電器件的實驗研究[J].中國機械工程,2014,25(5):705-709.

[5] 馬洪奎,高慶.一種溫差發電模塊的研制及其性能測試[J].電源技術,2013,37(4):589-592.

[6] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,2006.

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[11] 錢衛強. 低品位熱源半導體小溫差發電器性能研究[D].大連：大連理工大學,2006.

[12] 張云凱. 沙漠地區太陽能半導體制冷空氣取水裝置的實驗性研究[D].上海：東華大學,2014.

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

國家自然科學基金項目(51372208)；四川省科技支撐計劃項目(2015GZ0060)；教育部春暉計劃項目(Z2015082)；團隊計劃“熱電材料及應用四川省青年科技創新研究團隊”項目(2015TD0017)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510623025)；西華大學“西華杯”登峰計劃科研項目(2015019)

梁翔(1993—)，男，四川峨眉山，本科生，研究方向為溫差發電、半導體制冷

E-mail：lxsghxx@163.com

張勤勇(1972—)，男，四川成都，博士，教授，研究方向為熱電材料與器件、清潔能源應用.

E-mail：122330457@qq.com

TM913

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1002-4956(2016)11-0112-05