基于溫差發電技術的生物質直燃爐設計＊

李 杰，崔佩霖，張振華，張小勇

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

生物質能源是主要的可再生能源之一，其利用比例在能源結構中逐年上升，燃燒是其主要的利用途徑。近幾年，國家通過退耕還林、新農村建設等政策大力推進生物質直燃爐的應用，因此，加大力度推廣生物質能源產業的發展已成為一種趨勢。

生物質燃燒技術在大型機組中的應用基本成熟，但在小型直燃爐的利用上存在燃燒不充分、污染物生成難以控制、火力不易調控、排煙溫度較高等諸多問題。因此，將溫差發電技術與可控送風技術相結合，設計一種基于溫差發電技術的含儲能和自供電送風裝置的生物質直燃爐具有重要意義。

1 系統構成

如圖1所示，生物質直燃爐由爐子本體、溫差發電裝置、儲能裝置、送風裝置4部分組成。爐子本體是典型的生物質直燃爐結構；溫差發電裝置被布置在煙囪外表面，利用煙氣余熱進行熱電轉換，并將產生的電能儲存在儲能裝置中；送風裝置的電能由儲能裝置提供，空氣通過管道送到爐膛中部，以二次風[1]的形式參與燃燒。

圖1 生物質直燃爐系統

生物質燃料在爐膛內燃燒，釋放熱量，被有效利用的煙氣通過煙囪排出，由于煙囪壁溫較高，溫差發電片布置在煙囪壁上利用塞貝克效應[2]實現熱電轉換。儲能裝置儲存溫差發電片轉換的電能，對外輸出標準電壓的直流電供給送風裝置和小型電子設備使用。送風裝置由2個小風機構成，其輸送的空氣通過溫差發電片冷端散熱裝置，使得溫差發電片冷熱端溫差增大，以提高熱電轉換效率，同時提高空氣溫度，實現改善燃燒狀況和燃燒調控的功能。

2 系統主要功能

2.1 溫差發電裝置

溫差發電裝置如圖2所示，在距煙囪底部300 mm（鐵板中心與煙囪底部的距離）的位置布置4塊鐵板，通過鐵板中心，用螺母將其固定在煙囪壁上，由于溫差發電片不可變形，不能直接安裝在煙囪上，鐵板充當熱源載體。用4塊鐵板圍成正方形，安裝在煙囪上，恰好使煙囪成為正方形的內切圓，其目的是使結構緊湊，并且為風道布置提供基礎。在正方形鐵板與圓形煙囪構成的空隙中填充可塑性強、導熱系數較大、耐高溫的導熱硅膠泥，目的是使熱量快速從煙囪傳遞到鐵板上，并使鐵板表面溫度均勻。在距煙囪底部400 mm的位置也同樣布置這樣的鐵板和導熱硅膠泥。

每塊鐵板上布置2片40 mm×40 mm×3.3 mm的溫差發電片，用導熱貼將溫差發電片的熱端與鐵板黏合在一起，即鐵板溫度就是溫差發電片的熱端溫度。每片溫差發電片均有電流輸入線和電流輸出線。用導熱貼將溫差發電片的冷端與鋁質散熱片黏合在一起，即散熱片溫度就是溫差發電片的冷端溫度。每兩片溫差發電片裝有一個鋁質散熱片。散熱片可以使溫差發電片冷熱端溫差增大，進而增大發電量。

圖2 溫差發電單元組合示意圖

2.2 送風裝置

如圖3所示，使用具有良好黏性、可塑性和耐高溫的鋁箔膠帶布置風道，4塊散熱片構成一個風道，共構成2個風道。風道截面為梯形，以保證流通阻力最小。每個風道安裝一臺軸流式風機，對散熱片進行風冷處理，進一步增大冷熱端溫差，使發電量大大提高。如圖4所示，在風機出口安裝一個漸縮噴嘴，提高冷流體進入風道的流速，帶走更多的熱量，加強換熱，漸縮噴嘴的出口接有管徑為24 mm的風管，最后接入風道；選用風管的原因則是其耐高溫、可塑性強、便于安裝。風道出口通過風管送入爐膛，實現對爐膛可控供風。將冷空氣先通過風道，帶走一部分熱量，再將其送入爐膛，可以提高送風初溫，穩定燃燒，減少污染物的排放。

圖3 風道示意圖

2.3 儲能裝置

如圖5所示，將16片溫差發電片進行串并聯組合連接，8片串聯為一組，再將2組進行并聯。這種連接方式既可滿足儲能裝置對充電電壓和電流的最低要求，又可實現操作、安裝的便捷。

將溫差發電組接入LM2596穩壓模塊，其量程為0～40 V，將輸出電壓設定為5 V，以適應蓄電池的額定輸入電壓，其具有過熱保護和短路保護功能。穩壓模塊的引出線與蓄電池連接，對蓄電池進行充電，儲能裝置具有雙USB接口，可供風機正常運轉，也可供手機等移動設備充電使用。

圖4 漸縮噴嘴及管道連接

圖5 溫差發電片串并聯的連接方式

3 關鍵技術設計

3.1 風道設計

如圖3所示，構造2種不同形狀的風道，圖（a）為梯形風道，圖（b）為矩形風道。使梯形下底長為45 mm，上底長為20 mm，腰為20 mm，矩形的長為45 mm，寬為11.28 mm，則它們的通流面積保持一致，均為507.6 mm2（不包括散熱片的通流面積）。設置實驗比較2種不同形狀的風道對風道出口風速的影響，保證2種形狀風道的入口流速相同，測出不同形狀風道出口風速的數值，測得的結果見表1.風道入口流量一樣，通流面積也一樣，則保證流體流量一樣，出口流速越大，則說明其帶走的熱量越多。由表1所示，梯形風道的出口平均風速大于矩形風道的出口平均風速，因此，梯形風道所帶走的熱量更多，對散熱片的冷卻效果更好，進而使溫差發電片冷端的溫度更低，在熱端溫度基本不變的情況下，冷熱端溫差更大，所發電量更多。這與馬力輝等人[3]在《極板快速干燥機風道流場的數值模擬和優化》中的研究成果相似。因此，在保證其他條件不變的情況下，選用梯形風道更為合適。

表1 2種形狀風道的出口風速

3.2 送風設計

送風裝置的設計同時兼顧冷卻溫差發電片冷端散熱裝置和提高二次風初溫。鼓風機的動力來自于儲能裝置。鼓風機將冷風送到梯形風道入口，冷風經過梯形風道，使散熱片冷端溫度降低，進而使溫差發電片冷熱端溫差加大，提高發電量。此外，冷風從風道中帶走熱量，在風道出口會得到較高溫度的熱風，熱風又通過風管為爐膛供風，實現對爐膛的燃燒調控。生物質爐膛燃燒的污染物控制主要靠二次風，二次風送入爐膛實現分級送風。

4 結論

以生物質直燃爐為對象，設計了一套生物質直燃爐溫差發電系統，并對溫差發電裝置、儲能裝置、送風裝置結構設計進行了概述。

本裝置主要優點體現在以下3個方面：①生物質直燃爐可實現自供電強制鼓風。②整套系統帶有儲能裝置，既可滿足鼓風機用電需求，又可向外供給電子設備使用。③送風系統可實現直燃爐燃燒功率的靈活性。鼓風裝置將冷風送入溫差發電裝置冷端后，可降低冷端溫度、提高溫差，提高發電功率；同時從溫差發電裝置風道出來的二次風風溫得到提高，送入爐膛可實現爐膛穩定燃燒、降低污染物排放量。