基于生物質(zhì)直燃爐的溫差發(fā)電性能實驗研究

姚佩志

貴州大學電氣工程學院 貴州 貴陽550025

0 引言

當今世界正面臨著嚴峻的能源危機，生物質(zhì)能作為繼化石能源煤、石油和天然氣之后的第4位能源[1]，其發(fā)展和應用在各國的能源規(guī)劃中得到了很大的關注。與化石燃料相比，生物質(zhì)燃料NOx和SO2等污染物排放量要少得多，生物質(zhì)燃料的CO2凈排放也僅為化石燃料的5%，屬于較為清潔的燃料[2]。

生物質(zhì)能源利用方面也非常廣泛，可用于制造生物乙醇替代化石燃料、制造沼氣用于供熱發(fā)電，也可代替中小型鍋爐用煤等，其需求量非常龐大[3]。近幾年，政府還投入大量資金用于購買直燃爐發(fā)放給農(nóng)戶，并提倡以生物質(zhì)作為燃料。因此，加大力度推廣生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為一種趨勢。

生物質(zhì)燃料直燃爐使用過程中煙氣直接排入空氣中，造成大量熱量損失，因此，對這部分廢熱回收利用的研具有一定意義。目前廢熱利用有很多方式，如韋節(jié)延等人[4]對電鍛煤爐煙囪壁增加溫差發(fā)電模塊進行溫差發(fā)電，其最大發(fā)電功率達到355k W，每年的節(jié)電率約為23.6%；張彩英等人[5]則利用熱泵技術對空氣壓縮機產(chǎn)生的廢熱回收利用；葉愛君等人[6]回收超大型集裝箱船的燃油機的廢熱驅(qū)動廢氣鍋爐系統(tǒng)運行。國內(nèi)外大多數(shù)都是對于大型設備廢熱利用的研究，對小型設備研究甚少，本文著重研究家用生物質(zhì)直燃爐煙囪的廢熱利用。

本文以生物質(zhì)直燃爐為對象，將溫差發(fā)電片布置在煙囪壁上，利用煙氣余熱實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，并通過儲能裝置，為送風機提供電力支持。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置簡介 圖1為生物質(zhì)直燃爐的溫差發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括三個裝置：溫差發(fā)電裝置、送風裝置、儲能裝置。

圖1 生物質(zhì)直燃爐的溫差發(fā)電系統(tǒng)

溫差發(fā)電裝置如圖2所示，分別用四塊鐵板圍成正方形，安裝在煙囪上，恰好使煙囪成為正方形的內(nèi)切圓。在正方形鐵板與圓形煙囪構(gòu)成的空隙中填充高導熱率導熱硅膠泥。共布置兩層這樣的鐵板和導熱硅膠泥。每塊鐵板上布置兩片溫差發(fā)電片，溫差發(fā)電片上貼合安裝鋁質(zhì)散熱片。

圖2 溫差發(fā)電單元組合示意圖

強制送風裝置如圖3所示，使用鋁箔膠帶布置風道，四塊散熱片構(gòu)成一個風道，共構(gòu)成兩個風道。每個風道安裝一臺小型軸流式風機。如圖4所示，在風機出口安裝一個漸縮噴嘴，通過風管接入風道。風道出口通過帶有三通閥的風管送入爐膛，為爐膛供風。

圖3 風道示意圖

圖4 漸縮噴嘴及管道連接

儲能裝置是將若干片溫差發(fā)電片以合適的串并聯(lián)方式連接，外接穩(wěn)壓模塊，對外輸出電能。穩(wěn)壓模塊與蓄電池連接，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(zhuǎn)，也可供手機等移動設備充電使用。

1.2 實驗方法 將溫差發(fā)電片電片按圖5進行連接，將一臺萬用表(VICTOR VC890D準確度為±2.0 %+5)串聯(lián)在回路中測量電流，另一個萬用表(VICTOR VC890D準確度度為±0.5 %+3)并聯(lián)在回路中測量電壓。再把兩個雙通道溫度表(CENTER 301準確度為±0.3 %rdg+1℃)測量溫差發(fā)電片熱端溫度、冷端溫度、直燃爐煙囪壁溫以及熱風溫度。以溫差發(fā)電片串并聯(lián)方式、熱端溫度和溫差、風道形狀和風機的投停方式等四個方面為變量進行溫差發(fā)電性能的實驗研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫差發(fā)電片串并聯(lián)方式對輸出功率的影響 基于理論計算及裝置可靠性，將16片溫差發(fā)電片以8×2、4×4兩種串并方式連接。連接方式如圖5所示。

圖5 溫差發(fā)電片串并聯(lián)的連接方式

由圖5(a)所知，8×2連接方式是將8片溫差發(fā)電片串聯(lián)，構(gòu)成一組，再將2組進行并聯(lián)。如圖5(b)可知，4×4連接方式是將4片溫差發(fā)電片串聯(lián)，構(gòu)成一組，再將4組進行并聯(lián)。兩種連接方式的實驗結(jié)果如表1、表2所示。分析數(shù)據(jù)由圖6可知，溫差發(fā)電片兩種串并聯(lián)方式下輸出功率都隨著溫差線性增加；并且在全程范圍內(nèi)，8×2連接方式的輸出功率曲線始終高于4×4連接方式的輸出功率曲線；當溫差為26.3℃-31.8℃時，8×2連接方式的平均輸出功率為4.47 W，4×4連接方式的平均輸出功率為2.52 W；兩者相比，8×2連接方式的平均輸出功率提高77.15%。因此，8×2串并聯(lián)連接方式性能較優(yōu)。

表1 8×2連接方式的輸出功率

119.5 89.2 30.3 9.98 0.49 4.89 121.3 89.9 31.4 10.10 0.51 5.15 123.2 91.4 31.8 10.51 0.52 5.47

表2 4×4連接方式的輸出功率

圖6 輸出功率Pout 與8×2、4×4、連接方式下溫差Δt曲線圖

2.2 風道形狀對輸出功率的影響 如圖3所示，溫差發(fā)電片以8×2連接方式為對象，構(gòu)造兩種不同形狀的風道：梯形和矩形，并使其通流面積保持一致。兩種風道形狀的實驗結(jié)果如表1、表3所示。

表3 矩形風道的輸出功率

圖7 輸出功率Pout-梯形(矩形)風道熱端溫度的曲線圖(與溫差的關系)

數(shù)據(jù)分析由圖7可知，風道為矩形和梯形時，溫差發(fā)電片輸出功率都隨著熱端溫度線性增加；并且在全程范圍內(nèi)，梯形風道的輸出功率曲線始終高于矩形風道的輸出功率曲線；當溫度為111℃-123℃時，梯形風道的平均輸出功率為4.47 W，矩形風道的平均輸出功率為2.78 W；兩者相比，梯形風道的平均輸出功率提高60.8%。因此，采用梯形風道布置較優(yōu)。

通過實驗比較兩種不同形狀風道對輸出功率的影響，使兩種形狀風道的入口流速盡可能保持一致，在不同的流場分布情況下，比較兩者輸出功率的大小。當進入風道的流量相等時，出口流速越大，則說明損失越小，其帶能走的熱量也就越多，故對散熱片的冷卻效果越好。為使輸出功率只受風道形狀因素的影響，需保證其他因素盡可能一致，使其不產(chǎn)生附加影響。這與馬力輝等人[7]在《極板快速干燥機風道流場的數(shù)值模擬和優(yōu)化》的研究成果相似。據(jù)此可分析不同的風道形狀影響溫差發(fā)電片的輸出功率的原因：不同的風道形狀影響散熱片的散熱效率，進而影響溫差發(fā)電片的冷端溫度，即影響了溫差發(fā)電片冷熱端的溫差，最終影響輸出功率。

2.3 風機投停對輸出功率的影響

表4 無風機時的輸出功率

圖8 輸出功率Pout-有(無)風機熱端溫度的曲線圖

實驗測試過程中，在保證其他因素一定的情況下，分別進行有風機和無風機的對比實驗。當燃燒工況較為穩(wěn)定時，對溫差發(fā)電片冷、熱端溫度、電壓、電流四個參數(shù)進行測量。實驗數(shù)據(jù)如表1、表4所示。將數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到如圖8曲線。

分析數(shù)據(jù)由圖8可知，風機投運和停運時，溫差發(fā)電片輸出功率都隨著熱端溫度線性增加；并且在全程內(nèi)，風機投運的輸出功率曲線始終高于風機停運的輸出功率曲線。當熱端溫度為109℃-123℃時，風機停運，溫差發(fā)電片的平均輸出功率為0.875 W；風機投運，溫差發(fā)電片的平均輸出功率為4.47 W。兩者相比，風機投運時的平均輸出功率為風機停運時的平均輸出功率的5倍。因此，采用風機投運方式性能較優(yōu)。

風機的投運與停運影響的是溫差發(fā)電片的冷端溫度，當熱端溫度大致相等的情況下，風機投運時，溫差發(fā)電片的冷端溫度更低，即溫差更大，進而反映出輸出功率是提高的。因此，風機投運可以顯著提高溫差發(fā)電片的輸出功率。

2.5 熱電轉(zhuǎn)換效率分析 熱電轉(zhuǎn)換效率是衡量溫差發(fā)電片的一項重要指標，能直接反應熱流量的利用率與發(fā)電量的關系。本項目中，Q 表示從煙囪內(nèi)壁到溫差發(fā)電片熱端的熱流量，E表示溫差發(fā)電片轉(zhuǎn)換得到的電能，q1表示強制對流帶走的熱流量，q2表示鋁箔紙外側(cè)空氣自然對流帶走的熱量。故：

測得以下平均數(shù)據(jù)：投風機條件下，采用8×2連接方式，梯形風道布置時，根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算平均結(jié)果，煙囪壁溫度T約為136.57℃，熱端溫度T1約為116.88℃。從而得到熱流量Q約為147.68 W，根據(jù)E=4.47 W，可計算得到該溫差發(fā)電裝置熱電轉(zhuǎn)化效率約為3.03%。。參考文獻熱電轉(zhuǎn)換效率都在6%以內(nèi)[8]，且李國能[9]所計算出的熱電轉(zhuǎn)換效率為2.1%。因此，本文熱電轉(zhuǎn)換效率處于正常范圍。

4 結(jié)論

以生物質(zhì)直燃爐為對象，設計了一套溫差發(fā)電系統(tǒng)，并對其影響輸出功率的四個因素以及熱電轉(zhuǎn)換效率進行實驗研究，主要結(jié)論如下：

(1)本系統(tǒng)溫差發(fā)電片采用8×2連接方式明顯優(yōu)于4×4連接方式，其輸出功率可提高約87.3%。

(2)梯形風道布置方式明顯優(yōu)于矩形風道，其輸出功率可提高約25.5 %。

(3)溫差發(fā)電裝置輸出功率與溫差發(fā)電片溫差有關系，隨著溫差增大而增大。

(4)風機投運可增加溫差發(fā)電裝置的輸出功率，較風機停運輸出功率可提高約80%。

(5)溫差發(fā)電系統(tǒng)冷熱端平均溫差約為28.89℃時，熱電轉(zhuǎn)換效率約為3.0 3%。