便携式温差发电装置性能研究

梁 翔, 倪 靖, 王文棚, 李 莎, 雷晓波, 张勤勇

(西华大学 先进材料及能源研究中心, 四川 成都 610039)



便携式温差发电装置性能研究

梁 翔, 倪 靖, 王文棚, 李 莎, 雷晓波, 张勤勇

(西华大学 先进材料及能源研究中心, 四川 成都 610039)

基于温差发电原理设计、制作用于野外紧急充电的便携式温差发电装置，将野外可燃物产生的热能作为热源,直接将热能转化为电能,并利用一部分自发电驱动小水泵将装置冷端的热量带走。该装置采用USB接口作为输出端为各种数码设备充电。以塞贝克效应为基础,主要讨论了散热端水量、水流速度等对温差电势的影响以及装置热端加热的最佳搭配方式。测试结果表明,该装置的最佳加热搭配方式是一块固体酒精与10 cm高的燃烧架的方式。由4块40 mm×40 mm低温发电模组组成的发电装置最大的发电功率为3.5～4 W,单位面积发电功率为580 W/m-2。

温差发电； 塞贝克效应； 紧急充电

野外探险、科考等工作者常遇到电能耗尽的情况,迫切需要一种野外小功率发电装置。在野外,太阳能和可燃烧物质化学能是两种方便的能源,如何将其转换为电能是小型发电装置开发关注的焦点。在太阳能转化为电能方面,尽管市场上已有小面积光伏电池发电器,但因太阳光的能量密度较低、阴雨天和夜晚环境下无法使用,尚不能作为可靠的备用电源。也有将太阳聚光生热而利用塞贝克效应发电的发电器[1],但由于需要随身携带体积较大的聚光器,无法实现便携。在可燃物质化学能转换为电能方面,徐维峥等[2]设计了利用燃烧热能的斯特林发电机,但没有相关性能数据；黄学章等[3]设计了小巧便携的冷端为风冷散热的野外温差发电装置,在采用四片温差发电片的情况下,可输出4.2～5.8 V的直流电,显示了利用温差发电原理开发便携式野外备用电源的潜力。

温差发电是一种基于塞贝克效应将热能转化为电能的技术,即在温差发电片或热电片两端有温差时,能直接将能量密度远远高于太阳光的火焰能量转换为电能,且热-电转换效率和功率随温差增大而增大[4]。温差发电装置可以实现便携目的,并且不受气候和有无日照的限制,因此非常适合用来设计制作成野外便携式备用电源。由于热电材料性能的限制,目前为止市面上所售热电发电片仅能工作在250 ℃以内,且热-电转换效率低于4%[5]。因此,对热电发电片而言,其热端接收火焰能量,热电材料将其部分转化为电能,而冷端必须以适当的方式将96%以上的热量快速散走以保持两端有适当的温差,确保发电过程可持续进行。传热学表明水冷散热的换热系数是风冷散热的100～1 000倍[6]。因此在温差发电模组的冷端采用水冷散热较风冷散热可增加模组两端的温差,提高模组的发电功率[7-8]。

因此本文设计野外便携式温差发电装置,以野外可燃物燃烧放热供能,再通过冷端采用水冷散热的热电发电片将其部分转换为电能,并测试了散热端水温、流速和流量等因素对装置发电功率的影响，以及探讨了火架高度与固体酒精的最佳搭配方式,为装置的使用提供了参考。所设计制作的野外便携式温差发电装置体积小、质量轻、可全天候工作,发电功率约4 W,能满足野外电子数码设备小功率充电的需求。

1 温差发电原理

在两种不同导体或半导体构成的回路中,当两个节点温度不同时,两节点将产生电势差,并在闭合回路中形成电流,称为塞贝克效应(Seebeck effect)。单位温度内的电压值即为塞贝克系数。由于半导体材料的塞贝克系数通常为数十到数百微伏每开尔文,比金属导体的大1～2个数量级,因此热电材料以半导体为主。半导体材料导电类型有p型和n型,因而其塞贝克系数也有正有负,反映了在相同温度梯度下的电压方向。将n型和p型热电半导体用导体(如铜)连接形成热电偶,则两端电压值将是两者之和；将若干热电偶串联,制成温差发电片,第一个与最末一个热电半导体引线之间的电压值将是所有热电偶电压值之和,达到伏特数量级,从而具备应用基础。图1为温差发电结构原理.

图1 温差发电结构原理

温差发电片的有用功率为

其中,α为塞贝克系数,TH为器件热端温度,TC为器件冷端温度,R为热电元件电阻,RL为负载电阻。

从上式中可以看出，对成品的温差发电片而言,提高器件两端的温差将提高器件的发电功率[9-11]。

2 野外便携式温差发电装置

本发电装置主要由可折叠的燃烧支架、核心发电组件和水循环系统组成。其中核心发电组件从下而上依次是1 mm厚的铝制受热板、温差发电模组、水冷块,各部分间通过导热双面胶粘接牢固。在野外环境下,收集到的可燃物可在折叠火架中燃烧,所释放的热能作为装置的输入能源。自发电所驱动的小水泵带动水循环系统中的冷却水依次循环流经进水软管、紧贴于温差发电片冷端的水冷块以及出水管,带走发电片冷端的热量,以此稳定发电片两端的温差,使装置可以长时间高效工作。除去供给小水泵的电能外，剩余的电能经过USB模块对外输出。装置结构如图2所示。为显示方便,图2中把发电组件倒置。实际使用中,需将铝制受热板紧贴火架,使核心发电组件紧贴热源。

图2 野外便携式温差发电装置

3 野外便携式温差发电装置性能

目前市场上常见的温差发电片为低温温差发电片,因受电极焊料熔点的影响,低温温差发电片一般要求器件热端的温度不高于250 ℃。因此本文通过调控火架高度等方式将器件热端的温度控制在200 ℃左右。装置冷端的散热方式采用了循环水冷却方式,有利于让水冷块中的热水被快速带出水冷块,并让外界冷水补充进入水冷块。该散热方式有利于提高器件两端温差,提高装置的发电功率。因而,冷却水的水量和速度等则是影响冷端温度的因素。为了探究各个因素对装置发电功率的影响,在高温端温度一定的情况下,依次控制冷却水的水量和速度,测试装置发电效果,同时对火架高度与固体酒精使用方式进行了探讨。本实验中采用了BK Precision 8500型号的电子负载作为装置的外负载，以及LP3005D型号电源为水泵供电,小水泵的额定功率为0.75 W。

3.1 装置热端加热搭配方式的探讨

本实验主要探究火架高度的选取与固体酒精添加数量的关系,为装置的火架高度定型、固体酒精的使用方式以及装置使用时间提供参考。本实验中使用的固体酒精每块质量均为25 g,设置火架高度依次为10、15、20、25 cm,向火架中依次投入固体酒精数量分别为1、2、3块固体酒精。当酒精在火架中开始燃烧时每隔40 s使用热电偶的探针探测受热金属板表面中心的温度θ,待温度值稳定时记录下受热板的温度。直至投入的固体酒精完全燃烧为止。测试结果见图3。

图3 固体酒精燃烧温度特性

以150～250 ℃为装置有效工作区间,则由图3可以得出各测试条件所对应的有效工作区间及单位酒精的有效工作时间，结果见表1。

表1 热源特性

从表1中可以看出:当酒精数量为1块、燃烧架高度为10 cm时,单块固体酒精下的有效工作时间最长,约为720 s,即12 min,与其他搭配方式相比具有明显的时间优势。虽然在200～480 s之间,受热板的温度超过了250 ℃,但是图3(a)中可以看出超过的温度差值较小,且时间较短,对装置的使用安全性、使用寿命影响最小。除时间优势外,该搭配方式的单块酒精利用率最高,经济性最好,25 g的固体酒精体积小、质量轻、可大量携带,4块即可满足装置约1 h的有效工作,且此搭配火架高度较低、所占体积较小也方便携带。因此综合考虑,本装置热端加热搭配方式应采用:1块酒精+10 cm高的火架方式。尽管本文实验采用酒精作为燃料,但实际在野外使用时,完全可以采用零散柴火作为燃料为装置提供能源。

3.2 冷却水水温与时间的关系

增大器件冷热两端的温差、延缓冷却水水温达到稳定的时间有利于延长装置达到热平衡，进而延长装置高效发电的时间。将核心发电组件放置在实验火架之上,往火架之中适时、持续不断地加入适量的固体酒精让发电组件热端基本维持在200 ℃附近。 依次采用0.5、1、1.5、2 L的冷却水对发电组件冷端进行冷却,每隔3 min测一次水温θ水,得到实验曲线见图4。

图4 冷却水水温与时间的关系曲线

图4中的各条曲线后期均逐渐平缓并最终趋于稳定值。因水冷块外的冷却水在装置发电的过程中也在向四周空气散热,当水冷块外的冷却水的散热功率与冷却水在水冷块中的吸热功率相等时,水温则稳定下来。从图4还可看出，随着水量的增加,冷却水水温稳定时的温度明显降低,且冷却水达到稳定的时间越长,证明使用该装置时采用较多的冷却水能起到更好的冷却效果。

3.3 冷却水水流速度对发电电压的影响

本装置的冷却方式采用的是自发电所带动的小水泵驱动冷却水流动的循环水散热方式。依据传热学原理,水冷块中的冷却水流速越高,冷却水与器件热端的换热系数增大,将带走更多的热量,有利于提高装置的发电功率。考虑到小水泵自身的启动电压为3 V及额定电压,依次对小水泵提供4～10 V的电压逐渐增大水泵电机的转速,进而逐渐增大冷却水的水流速度,并测出与之对应的器件发电电压。实验结果见图5。

图5 装置发电电压V与水泵供电电压V泵的关系曲线

从图5中可以看出，在4～8 V区间随着水泵供电电压的增加,装置的热电势(发电电压)增加较为明显,在8 V之后装置的热电势趋于平缓,可认为本装置在提供8 V以上的供电电压以后,装置发电趋于稳定,冷却水水流速度的影响逐渐减小。从总体上看,增加水泵供电电压对装置热电势的提高影响较小,提升了3%～5%的电压。各曲线之间的间隔也有所不同,随着水量的增加热电势提高的幅度增大。测得的水泵正常工作区间内的水流速度v与水泵供电电压V泵的关系见图6。

图6 冷却水流速与水泵电压的关系曲线

依据传热学原理有

(1)

(2)

式中，h为换热系数、Pr为普朗特系数、Re为雷诺数、c为系数、v为水流速度、ν为流体运动黏度。

3.4 水量对装置发电功率的影响

往火架中按时适量加入固体可燃酒精，使器件高温端的温度维持在200 ℃左右,依次用0.5、1、1.5、2 L的冷却水对器件散热,待冷却水水温基本不变时,测装置的输出特性(发电功率P与电流I关系曲线),结果见图7。

图7 装置的输出特性

本装置使用4片40 mm×40 mm的温差发电片,其峰值发电功率约为3.7 W,单位面积发电功率为580 W/m2。与现市场上常见的单位面积最大发电功率约为200 W左右的太阳能电池板相比[12],在野外环境下本装置具有单位面积输出功率更大、携带更加方便、夜晚可发电的优势。本装置散热所需的冷却水不多,普通500 mL的矿泉水瓶所携带的水量就能满足装置的发电散热需求。

4 结论

(1) 装置的最佳加热搭配方式是一块固体酒精与10 cm高的火架的方式,该搭配方式下使用装置的经济性、安全性、发电性能都能得到较好体现。

(2) 在条件允许情况下，尽可能增加冷却水水量是提高装置发电功率最简单、最经济的方法。

(3) 在水泵正常运转下,水泵驱动的水流速度对提高装置发电功率影响很小,装置正常工作的自发电所驱动的小水泵所带动的水流速度已经基本满足了水流速度对冷端口散热的需求。

(4) 本装置的输出电压约为11.3 V,发电功率约为3.7 W，适合作为野外紧急备用电源使用。

References)

[1] 赵吉庆,陈文娟.太阳能半导体温差发电装置研制[J].实验技术与管理,2011,28(11):75-78.

[2] 徐维峥,郑卫刚.基于热能和光能的野外发电装置设计[J].新能源,2013,29(3):49-51.

[3] 黄学章,徐冰,张韬,等.基于半导体温差发电的数码设备充电装置[J],电源技术，2010，34(8):835-838.

[4] 全睿,谭保华,唐新峰.汽车温差发电装置中的热电器件的实验研究[J].中国机械工程,2014,25(5):705-709.

[5] 马洪奎,高庆.一种温差发电模块的研制及其性能测试[J].电源技术,2013,37(4):589-592.

[6] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006.

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[10] 徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社,1992.

[11] 钱卫强. 低品位热源半导体小温差发电器性能研究[D].大连：大连理工大学,2006.

[12] 张云凯. 沙漠地区太阳能半导体制冷空气取水装置的实验性研究[D].上海：东华大学,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

国家自然科学基金项目(51372208)；四川省科技支撑计划项目(2015GZ0060)；教育部春晖计划项目(Z2015082)；团队计划“热电材料及应用四川省青年科技创新研究团队”项目(2015TD0017)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201510623025)；西华大学“西华杯”登峰计划科研项目(2015019)

梁翔(1993—)，男，四川峨眉山，本科生，研究方向为温差发电、半导体制冷

E-mail：lxsghxx@163.com

张勤勇(1972—)，男，四川成都，博士，教授，研究方向为热电材料与器件、清洁能源应用.

E-mail：122330457@qq.com

TM913

A

1002-4956(2016)11-0112-05