温室便携式温差发电系统的设计与试验.pdf

第 36 卷 第 1 期 农 业 工 程 学 报 V ol 36 No 1 2020 年 1 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2020 235 温室便携式温差发电系统的设计与试验 王立舒 王丽娇 乔帅翔 徐艳林 贾红丹 解鑫泽 东北农业大学电气与信息学院 哈尔滨 150030 摘 要 为解决在极端条件下 偏远地区温室大棚小功率器件 如节能灯 温度湿度监控系统 数码设备等必要用电设 备的随时供电问题 该文设计了一种便携式且可持续供电的温差发电系统 该系统发电结构为一个小型的长方体发电箱 且系统总质量较轻 满足便携性 该系统采用生物质燃烧产生的热量作为热源 使用扁平热管作为导热元件 冷端利用 水冷散热 使用 ANSYS 对系统进行仿真分析 并搭建试验平台 采集并记录相关数据 数据显示该系统热端的最高温 度为 270 1 输出的最大功率为 10 7 W 热电效率最大为 5 73 结果表明 该系统具有便携性 热端温度较高 具 有较高的热电效率 在极端条件下或偏远地区可实现随时发电 同时为便携式发电系统的研究与应用提供了有力依据 关键词 温差 发电 温室 便携式 热量转换 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 01 028 中图分类号 TM913 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 01 0235 10 王立舒 王丽娇 乔帅翔 徐艳林 贾红丹 解鑫泽 温室便携式温差发电系统的设计与试验 J 农业工程学报 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 温室一般建造在较为偏远的地区 市电难以送达或送 达成本较高 所以温室大棚的供电方式一直是很多学者致 力研究的问题 目前国内外多采用分布式发电的方式为温 室大棚供电 常见的分布式能源有风能和太阳能 1 但风 机和太阳能电池板体积较大不易携带 且以上 2 种能源 的利用受环境影响较大 在很多时候电量供应不足甚至 断电 于是需要一种便携式的可随时供电的发电设备 目前已有许多学者开始研究便携式发电系统 在国 内 朱永迪 2 设计了一种农用便携式多用途光伏发电系 统 采用远程控制系统 programmable logic controller PLC 实现了泵站远程监控 杨思梦 3 设计了便携式多动 力源发电系统 实现了风 光 手摇互补式发电 李咸 璞 4 利用人体体温与环境之间的温差进行温差发电 设计 了小型的便携式发电系统 其电量可满足 LED 灯的供电 需求 李国能等 5 设计了一款便携式温差发电炉 系统采 用风冷散热 输出功率为 2 45 W 热电转换效率为 2 1 梁翔等 6 利用野外可燃物燃烧产生的热能作为热源 通过 设置对比试验 选出散热与发热的最佳搭配方式 装置 发出的最大功率为 3 5 4 W 黄学章等 7 以野外篝火为 热源 设计了一种便携式数码充电器 其输出电压为 4 2 5 8 V 电流为 2 3 A 在国外 Fanciulli 8 建立并表征了 收稿日期 2019 09 28 修订日期 2019 11 30 基金项目 教育部春晖计划 Z2012074 黑龙江省教育厅科技课题 12521038 作者简介 王立舒 教授 博士 博导 研究方向为农业电气化与自动化 电力新能源开发与利用 Email wanglishu 基于催化燃烧器的便携式温差发电系统 该系统产生 1 W 的电功率 直流电压为 0 75 V 电流约为 1 1 A Krishnan 9 使用新型燃烧器作为温差发电系统的高温热源 这种便 携式发电系统的设计和开发 实现超过 10 的系统预测 转换效率 以上便携式发电系统中 风能和太阳能发电 系统体积较大 且在极端条件下 如连续无风的阴雨天 不能实现随时供电 10 手摇式发电和一些已有温差发电 系统效率较低 输出功率较小 有些温差发电系统仅通 过几组对比试验确定冷热端搭配方式 没有仿真试验 缺乏理论依据 难以达到系统最大发电量等缺点 针对以上问题 本文设计了一款小型的便携式温差 发电系统 由于温差发电片体积较小 质量轻 便于携 带 且成本低 11 该系统以温差发电片作为发电模块 使 得该系统亦具有便于携带 成本低等优点 通过对系统的 设计 对热端燃料的选择 对冷端水流速 水流量等因素 的控制 以及对系统进行的仿真和试验分析 绘制出该发 电系统的输出功率 热电效率等相关数据 本系统旨在讨 论便携式温差发电系统的可行性 为便携式温差发电系统 应用于温室大棚等相关农业场所提供相关依据 1 便携式温差发电系统 1 1 便携式温差发电系统设计及介绍 便携式温差发电系统是由导热板 温差发电片 thermoelectric generator TEG 散热系统 控制模块 稳压模块 蓄电池等组成 整体结构如图 1 所示 该系 统中间是 5 cm边长且底面带有小孔的无盖立方体 以下 称为燃烧器 用于盛放燃料 是本发电系统热源端 立 方体的 4 个侧面分别固定一片温差发电片 每片 TEG 的 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 236 尺寸是 40 mm 40 mm 3 8 mm 长 宽 高 无盖立方 体的外侧是一个截面为 5 cm 2 5 cm的散热通道 以下称 为冷端腔体 该便携式温差发电系统的总体尺寸可以收 纳到一个 20 cm 20 cm 5 cm 的长方体收纳盒内 1 燃烧箱 2 冷端腔体 3 流量计 4 开关 5 水泵 6 水槽 7 显示屏 8 控制模块 9 DC DC 变换器 10 蓄电池 11 逆变器 12 用电设备 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 图 1 便携式温差发电系统的结构示意图 Fig 1 Schematic diagram of portable thermoelectric power generation system 由于本系统热端温度较高 选择可耐高温的 4片半导体 温差发电模块串联 所选定的温差电池各参数如表 1所示 表 1 温差电池参数 Table 1 Temperature difference battery parameters 参数 Parameters 数值 Value 温差电池型号 Number of thermoelectric modules TEP1 142T300 受热面最高温度 Maximum temperature of heating surface 300 内阻 Internal resistance 3 3 4 3 热阻 Thermal resistance W 1 1 79 塞贝克系数 Seebeck coefficient 1 0 058 1 2 便携式温差发电结构单元简介 图 2a 为温差发电结构单元的俯视图 为使装置的结 构清晰简明 将装置冷端腔体的盖子去掉 导热传热元 件 扁平热管及冷端铜管等装置如图 2b 所示 生物质在 燃烧器中燃烧时产生大量热能 燃烧器壁将热量传递给 温差发电片热端 其冷端采用水冷散热 由塞贝克效应 可知 当 TEG 两端存在温差时即可产生电动势 12 为了 增加装置的导热和散热性能 采用扁平热管增加传热效 率 并在散热铜管的侧面安装散热器 增强冷端散热 a 装置的俯视图 a Top view of device b 温差发电结构示意图 b Schematic diagram of thermoelectric module structure 1 燃烧器 2 冷端腔体 3 温差发电片 4 助燃小孔 5 进水口 6 出水口 7 燃烧器壁 8 导热硅脂 9 微热管阵列 10 铜管 11 散热器 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 图 2 便携式温差发电单元结构示意图 Fig 2 Schematic diagram of portable thermoelectric power generation unit 2 能量转换与仿真分析 2 1 生物质燃料在燃烧器中燃烧热的计算 生物质燃烧释放热量 可以通过其燃烧的热化学反 应方程式计算产生的热量 进而确定热端温度 燃烧热 是指在 25 101 kPa 条件下 单位物质的量物质燃烧 生成稳定的化合物时所释放的热量 13 由上述可知 决 定所释放热量的因素有 环境温度 压强 可燃物的物 质的量 助燃物的物质的量 可燃物是否完全燃烧 14 生物质中可燃物的主要成分是 C H S 15 若假设 生物质中的可燃物只有 C H S 且在 25 101 kPa 条件下 可燃物完全反应的化学方程式为 C在空气中完全燃烧的化学反应方程式 2 2 C O CO 395 650J mol 1 S 在空气中完全燃烧的化学反应方程式 2 2 S O SO 294 750J mol 2 H 在空气中完全燃烧的热化学方程式为 2 2 2 2H O 2H O 24176J mol 3 式 1 2 和 3 均是在理想状态下 物质燃烧所 产生的热量 若要计算本试验中生物质燃烧所产生的热 量 需要考虑外界温度 气压等条件 还要考虑生物质 的成分 燃料是否完全燃烧 以及氧气是否充足等相关 因素 想要确定发电系统热端温度 除上述因素外 还 需考虑热量在传递过程中的损耗 2 2 热流量传递过程 为了分析梳理便携式温差发电系统的热传递过程 从 而更好地利用热能 为后续的研究提供可靠依据 根据能 量守恒定律和热传导原理 建立如图 3 所示热网络图 13 为使计算简便 忽略温差电池侧壁与空气之间的热辐射 16 图 3 热网络图 Fig 3 Thermal network diagram 注 Q Z 燃料燃烧理论热量 J Q 1 排烟热损失 J Q 2化学不完全燃烧热损 失 J Q 3 散热等热损失 J Q h 系统热端壁面理论接收热量 J Q TEG 为 温差电池的吸热量 J Q con为温差电池与热管蒸发段间热阻损耗的热量 J Q hp为热管热阻损耗的热量 J Q com 为光伏电池与环境空气的对流换热量 J Q rad 为光伏电池与环境空气的辐射换热量 J T 0 为环境温度 T z 为理论获得温度 T h为温差电池热端温度 T c为温差电池冷端温 度 T evap 为热管蒸发段温度 T cond 为热管冷凝段温度 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 为在 25 101 kPa 条件下 生物质完全燃烧时 产生的热量 式 4 中 Q 1 为排烟热损失 Q 2 为化学 第 1 期 王立舒等 温室便携式温差发电系统的设计与试验 237 不完全燃烧热损失 Q 3 为散热热损失 Q 4 为固体 未完全燃烧热损失 17 所以系统的燃烧热效率为 1 2 3 4 1 Q Q Q Q 4 已知系统热效率 进而可知燃烧器接收到的总热量 Q h 除上述的热损失以外 还有一些其他的热损失未计 算在内 所以式 5 中增加一个修正系数 1 h Z Q Q 5 式中 为修正系数 由于燃烧器壁与外界存在热交换 即存在热对流和 热辐射 其大小可用公式 6 和 7 计算 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 为热辐射换热系数 W m 2 K h com 为热对流换 热系数 W m 2 K A p 为散热表面积 m 2 温差发电时 需要消耗一部分热 其计算公式如下 ETG TEG h c Q T T R 8 T h 为温差发电片热端温度 T c 为温差发电片冷 端温度 R TEG 为温差发电片热阻 W 温差发电 片与热管之间接触在 使之产生热量损失 18 其表达式 如下 con evap con c Q T T R 9 式中 T evap 为温差发电片热端温度 R con 为温差发电片 与热管之间接触热阻 19 W hp evap cond hp Q T T R 10 式中 T cond 为热管冷凝段温度 R hp 为热管热阻 W 2 3 仿真结果与分析 2 3 1 冷端温度场仿真分析 系统热端温度通过生物质燃烧热的产生和传递可进 一步测算获得 而本系统冷端温度分布是否均匀尚未可 知 通过直接测算获取冷端温度准确性差 且费时费力 效率低 冷端温度的分布影响系统的发电量及发电效率 所以对温差发电元件冷端温度场进行仿真分析十分必 要 冷端温度分布与冷却水流量及冷却水温度有关 在 仿真过程中需要设定各参数 以获得温差发电片冷端的 温度场分布情况及系统的输出电压及电流等参数 进一 步确定和研究发电系统的发电功率 热电性能及系统的 最优冷却水流速等 根据表 1 中所示的各参数 设定温 差发电片热端温度 T h 为 250 环境温度 T 0 为 25 T 0 的数值设定为进水口处冷却水温度值 本试验设定进 水口处冷却水温度值始终为 T 0 当冷端流速为 0 008 m s 时 利用 ANSYS workbench18 0 有限元软件建立冷端温 度场模型 模拟温度分布规律如图 4 建立温差发电数学 模型 绘制单个温差发电片随冷端水流速变化所产生的 电流电压的变化曲线 如图 5 所示 单个温差片的总输 出功率及净输出功率变化曲线 如图 6 所示 图 4 为第一个壁面冷端的模拟温度场分布规律 可 以看出 温差发电模块冷端温度逐渐升高 从 25 029 开始呈阶梯变化 逐渐升高至 42 187 说明冷端的温 度逐渐上升 冷端不是一个均匀的温度场 图 4 便携式温差发电系统模拟温度场分布规律 Fig 4 Simulation of temperature field distribution in portable thermoelectric power generation system 图 5 输出电压和电流的变化曲线 Fig 5 Change curve of output voltage and current 图 6 不同流速下的功率变化 Fig 6 Power change at different flow rates 如图 5 所示 根据仿真数据 用光滑的曲线绘制单 个温差发电片的输出电压和电流的变化曲线 由图 5 可 以分析出 随着冷端水流速的增大 单个温差发电片的 最大输出电压和电流先增大后逐渐趋于平缓 由此可以 看出当冷端水流速不断增加时 输出电压和电流增加幅 度逐渐减小 假设其余 3 块温差片均与第一片温差片产生相同的 电功率 则系统的输出功率如图 6 所示 随着冷端散热 水流速的增加 所需要的水泵驱动功率逐渐增大 系统 发出的总功率先增大后逐渐趋于平缓 净功率先增大后 减小 从图中可以看出当冷端冷却水流速约为 0 011 3 m s 时 系统的净输出功率为 9 70 W 为系统的最大净输出 功率 2 3 2 DC DC 变换器的仿真 由 2 3 1 的仿真数据图 5 可知 系统输出电压小于蓄 电池的充电电压 15 V 若要满足蓄电池充电条件 使系 统可以对外提供稳定的电压 系统需通过升压电路使电 压达到 15 V 为验证升压电路的可靠性 缩减试验成本 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 238 本文通过 simulink 对 DC DC 部分进行仿真试验 验证系 统的充电功能 图 7 为仿真搭建结构图 图 7 仿真搭建结构图 Fig 7 Structure diagram of simulation building 在输出端输入 0 14 V 之间任意电压 输出结果如 图 8 所示 图 8 输出电压曲线 Fig 8 Output voltage curve 由图 8 可知 在 0 005 s 的时间内电压即可稳定在 15 V 仿真结果满足蓄电池的充电要求 3 试验平台的搭建与设计 3 1 试验平台的搭建 为了验证本系统的可靠性 测量本系统的各输出值 并使本系统的输出功率始终接近最大值 选取温差发电 片 酒精块 小水泵 扁平热管等试验设备以完成此次 试验研究 测试地点为东北农业大学 45 72 N 126 68 E 测试时间为 2019 年 7 月 13 日 此时环境温 度为 21 测量的主要参数为 TEG 热 冷端温度 环境温度 冷却水流速 输出电压电流等 用以进一步研究系统 的输出功率和系统热电转换效率等性能 试验系统的 硬件构成原理图如图 9a 所示 整个装置实物连接图如 图 9b 所示某一时刻显示的热端和冷端温度如图 9c 所示 系统通过单片机 STM32 收集温度传感器上的信 号 最终在液晶显示屏上显示出来 温度传感器 T 1 T 4 均匀分布在 4 个壁面的导热硅脂上 测量结果的平 均值作为 TEG 热端平均温度 T h1 T 5 T 8 布置在热管下 表面 测量结果取均值作为 TEG 的冷端平均温度 T c1 20 所产生的电能先接到最大功率追踪芯片 maximum power point tracking MPPT 上 后连接 DC DC 变换器 最终接在蓄电池上为蓄电池充电或直 接为用电设备供电 如图 9c 为液晶显示屏在某一时刻 显示的热端和冷端温度 注 T 1 T 4 热端传感器 T 5 T 8 冷端传感器 TEG 温差发电片 Note T 1 T 4 are hot end sensor T 5 T 8 are cold end sensor TEG are temperature difference generator a 便携式温差发电系统硬件构成原理图 a Schematic diagram of hardware composition of portable thermoelectric power generation system 1 温差发电结构单元 2 水槽 3 显示屏 4 STM32 单片机 5 DC DC 变换 器 6 MPPT芯片 7 蓄电池 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 便携式温差发电系统测试 b Test of portable thermoelectric power generation system c 温度显示界面 c Temperature display interface 图 9 便携式温差发电系统 Fig 9 Portable thermoelectric power generation system 3 2 装置热端的设计 为使试验便于操作 本试验使用酒精块代替生物质 为热端提供热能 燃烧箱可以放置 1 2 块酒精块 由表 1 可知 温差发电片热端能承受的最高温度为 300 所 以分别在装置的燃料箱中放置 1 块和 2 块酒精块 分别 测试热端温度 其温度变化曲线图如图 10 所示 图 10 系统热端温度变化曲线 Fig 10 Temperature curve at hot end of system 第 1 期 王立舒等 温室便携式温差发电系统的设计与试验 239 由图 10 可知 由 1 块酒精块燃烧时热端温度变化曲 线可知 曲线的最高温度为 223 7 300 s后回落并稳 定在 200 左右 维持大约 150 s 后温度逐渐降低 由 2 块酒精块燃烧时热端温度变化曲线 在 200 250 s 之间 温度达到最高 最高温为 270 1 400 s后温度回落并 稳定在 250 左右 并维持大约 200 s 后温度逐渐降低 2 种燃料投放方式所产生的最高温度均未超过 300 2 块酒精块燃烧产生的平均温度较 1 块酒精块所产生的 平均温度高 19 36 且燃烧相对持久 若在热端温度相 对稳定的时刻 持续向燃料箱中投放燃料 使热端维持 燃烧 则可将热端温度维持在 250 左右 该处实际温 度与 2 3 1中 ANSYS热力学仿真热端温度基本保持一致 此环境可以实现仿真中预计的热端环境 此处具有较高 且较稳定的热端温度 有助于提高系统的发电量 所以 本试验选择 2 块酒精块同时燃烧为温差发电系统热端提 供热量 3 3 装置冷端的设计 3 3 1 冷端水流速的最优设计 由仿真结果可知 当热端温度为 250 时 冷端冷 却水流速为 0 011 3 m s 时 系统输出的净功率最大 分 别选择水流速为 0 009 5 0 011 3 和 0 012 3 m s 的水泵 每隔 50 s 测量并记录系统的净输出功率 为使结果清晰 简明 由图 10 可知前 250 s 温度能达到最高 即功率可 达最大 仅选择试验的前 250 s进行测量 结果如图 11a 所示 a 不同流速 a Different flow rates b 不同水量 b Different water volumes 图 11 不同影响因素下的功率变化曲线 Fig 11 Power variation curves under different influencing factors 半导体温差发电的主要元件就是半导体温差发电片 它是由许多的 PN 结串联输出电压的元件 PN 节高温端 和低温端之间存在温差时 其两端会产生电动势 U 21 h c U T T 11 式中 为 PN 结塞贝克系数 T h 为热端温度 T c 为 冷端温度 其输出电压为 U 0 0 L h c L R U T T R R 12 式中 R 为 PN 结内阻 R L 为外加负载 当外阻为 R L 时 此时电流为 I h c L T T I R R 13 其输出功率 P 2 2 0 2 h c L L T T R P IU R R 14 由数学推导可知 R R L 时 22 输出功率最大 P max 2 2 max 4 h c T T P R 15 图 11a 为试验前 250 s 在不同流速下的输出功率 由图 11a 可知 随着试验的进行 温度逐渐升高 输出功 率逐渐增大 初始约 150 s 时 流速较小的输出功率较大 后随着温度继续升高 流速较大的输出功率较大 即热 端温度越高时 流速适当增大 输出功率增大 经计算 整个燃烧过程 流速为 0 011 3 m s时 平均净输出功率 最大 与 2 3 1 中仿真得出的最佳流速保持一致 说明仿 真结果与试验结果具有高度的一致性 进一步说明试验 具有可靠性 流速为 0 011 3 m s时的平均输出功率比流 速为 0 009 5 m s时的平均净输出功率高 13 95 比流速 为 0 012 3 m s 时的平均功率比功率大 3 92 本试验选 择 0 6 W 的小水泵 经计算其可产生约为 0 011 3 m s 的 冷却水流速 3 3 2 冷端水量的最优设计 由图 10 可知 热端温度在试验开始约 400 s 后可 以维持在大约 250 持续时间约 200 s 在该段时间 内可近似认为热端温度为恒量 当流速为 0 011 3 m s 时 测试水量对输出功率的影响 为使得系统具有便携 性 设置所用水量不超过 2 L 分别选择 1 1 5 2 L 的水量 待水温达到稳定状态后 测试随水流速变化的 输出功率 由图 11b 可知 在同一流速下 水量越大 输出 功率越大 当流速为 0 011 3 m s 且有 2 L 水量时 输 出功率为 9 68 W 比同流速下 1 5 L 水量时的输出功 率大 1 18 W 比同流速下 1 L水量时的输出功率大 2 08 W 根据 2 3 1 的仿真结果可知 在忽略冷端水量 即 忽略冷却水温度上升造成的影响时 系统的最大输出 功率为 9 70 W 与本试验中的试验结果 9 68 W 相差不 大 说明当冷端水量达到 2 L 时 本试验可基本不受 冷端水量的影响 即冷端水循环一次后 再次进入循 环时温度基本不上升 所以本试验平台选择 2 L 水作 为冷却水 4 试验结果与分析 4 1 电路构成图 系统电路构成如图 12 所示 电能输出后 连接 MPPT 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 240 芯片和 DC DC变换装置 后为蓄电池充电或为用电设备 供电 a 升压电路拓扑结构 a Boost circuit topology b 单片机及单片机外围电路 b SCM single chip microcomputer and SCM peripheral circuits c 单片机辅助供电电路 c SCM auxiliary power supply circuit 图 12 系统电路构成图 Fig 12 System circuit diagram 第 1 期 王立舒等 温室便携式温差发电系统的设计与试验 241 本电路使用 STM32 单片机采集系统输出的电压电 流 基于比例积分微分双环控制 poportional integral differentive PID 通过脉宽调制技术 pulse width modulation PWM 控制开关管的开通与关断 以使得 电压稳定输出 4 2 负载特性分析 为测量系统的输出特性 由表 2 可知 试验开始 第 400 500 s 时热端温度相对稳定 温差系统未经过 稳压模块时 测算出该状态下系统的内阻 如表 2 所 示 随着温差变化 温差发电片的内阻不断变化 23 因此无法直接在外电路连接一个与内阻阻值等大的外 阻 以获得最大输出功率 本文在电能发出后 仅通 过 MPPT 芯片获得系统最大输出功率 未经过稳压模 块时 系统整个发电过程输出电压电流如图 13a 所示 经稳压后 重新测得系统整个发电过程输出的电压电 流如图 13b 所示 表 2 系统输出参数 Table 2 System output parameters 时间 Time s 热端温度 Hot end temperature 冷端温度 Cold end temperature 温差 Temperature difference 外接电阻 External resistance 输出 电压 Output voltage V 输出 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 为温差约为 166 5 169 3 时测得的内阻 由表 2 可知 当外接电阻为 38 时 系统的输出功率 最大且为 8 755 W 可知此时系统的内阻约为 38 图 13a 是系统四片温差发电片串联后未经过稳压 模块时输出的电压和电流 由图 13a 可知系统的输出 电压最大为 10 86 V 最大电流为 1 103 A 图 13b 是 系统四片温差发电片串稳压后的输出电压和电流 由 图 13b 可知系统的输出电压最大约为 15 V 最大电流 为 0 606 A 此处经 DC DC 变换后 输出电压稳定在 15 V 左右 与 Simulink 仿真结果基本一致 说明试验 的 DC DC 升压电路可实现电压稳定 满足蓄电池的充 电条件 4 3 系统功率和效率分析 由 3 2 和 3 3 可知 本系统最佳的冷热端搭配为 热 端选用 2 块酒精块同时燃烧提供热源 冷端采用 0 6 W 的小水泵 水量选择 2 L 试验结果如图 13c所示 令平均温度 2 h c T T T 时 最大的热电转换效率 为 max max 1 1 1 h c h h c T T ZT T T ZT T 16 式中 Z 称为 热电优值 2 Z k 为电导率 S cm k 为热导率 W m K 由图 13c 可知系统的输出功率先增大后减小 输出 功率与冷热端温差的变化趋势基本一致 最大输出功率 为 10 7 W 系统的效率在 50 s 时最大 瞬时效率最高 可达 5 73 随后效率逐渐减小至 4 39 后有小幅上 升 最后趋于平缓并有下降趋势 由图 10 可知 热端 温度峰值前后存在某两点温度值相等 经计算温差走势 与热端温度走势基本一致 即温差峰值前后存在温差相 等的 2 个时间点 由图 13c 可知温差峰值前的热电效率 较高 说明温差相同时 冷端温度对温差发电片热电效 率的影响较大 a 稳压前电压电流输出 a Voltage and current output before voltage stabilization b 稳压后电压电流输出 b Voltage and current output after voltage stabilization c 系统的热电效率和输出功率 c Thermoelectric efficiency and output power of system 图 13 系统效率 输出功率及稳压前后电压电流输出 Fig 13 System efficiency output power and voltage and current output before and after voltage stabilization 4 4 性能对比分析 选择某款市售 Bio Lite Camp Stove 便携式发电炉 与本系统进行比较 如表 3 所示 由表 3 可知 2 个发电系统尺寸相当 本系统稍 有优势 当系统为最大输出功率时 本系统单位体积 发电量为 0 005 35 W cm 3 市售系统单位体积发电量 为 0 000 886 5 W cm 3 本系统采用水冷散热 冷却水 加重了便携式发电系统的质量 使便携性有所下降 但当系统为最大输出功率时 本系统的发电量为 0 004 15 W g 市售系统的发电量为 0 003 21 W g 就 发电系统的发电性能而言 本系统输出功率较大 是 比较产品的 2 57 倍 能向外输出更多的电能 由此可 农业工程学报 http www tcsae org 2020 年 242 知本系统综合发电性能较高 表 3 系统参数比较 Table 3 System parameters comparison 系统 System 质量 Mass g 尺寸 Size cm cm cm 冷端散热方式 Cold end cooling 最大输出功率 Maximum power P max W 市售系统 System for commercial 935 12 7 12 7 21 风冷 3 0 本系统 This system 2580 20 20 5 水冷 10 7 5 结 论 由于试验条件和时间的限制 本文仅设计了一种 便携式温差发电系统 本系统可以利用生物质燃烧时 产生的大量的热能 作为系统的热源 采用水冷方式 为系统冷端散热 利用微热管增强导热效果 针对该 系统建立数学模型 通过 ANSYS workbench18 0 有 限元软件对该系统进行仿真 并通过试验进行验证 得出以下结论 1 该系统直接利用燃烧取热 热端温度最高能 达到 270 1 相比于太阳能等其他热源 该热源具 有温度高 基本不受时间地域限制等优点 同时 该 系统采用扁平热管进行传热 使冷端散热效果更好 该系统的热效率最高可达 5 73 2 与现有的便携式温差发电