基于生物质直燃炉的温差发电性能实验研究

姚佩志

贵州大学电气工程学院 贵州 贵阳550025

0 引言

当今世界正面临着严峻的能源危机，生物质能作为继化石能源煤、石油和天然气之后的第4位能源[1]，其发展和应用在各国的能源规划中得到了很大的关注。与化石燃料相比，生物质燃料NOx和SO2等污染物排放量要少得多，生物质燃料的CO2净排放也仅为化石燃料的5%，属于较为清洁的燃料[2]。

生物质能源利用方面也非常广泛，可用于制造生物乙醇替代化石燃料、制造沼气用于供热发电，也可代替中小型锅炉用煤等，其需求量非常庞大[3]。近几年，政府还投入大量资金用于购买直燃炉发放给农户，并提倡以生物质作为燃料。因此，加大力度推广生物质能源产业的发展已成为一种趋势。

生物质燃料直燃炉使用过程中烟气直接排入空气中，造成大量热量损失，因此，对这部分废热回收利用的研具有一定意义。目前废热利用有很多方式，如韦节延等人[4]对电锻煤炉烟囱壁增加温差发电模块进行温差发电，其最大发电功率达到355k W，每年的节电率约为23.6%；张彩英等人[5]则利用热泵技术对空气压缩机产生的废热回收利用；叶爱君等人[6]回收超大型集装箱船的燃油机的废热驱动废气锅炉系统运行。国内外大多数都是对于大型设备废热利用的研究，对小型设备研究甚少，本文着重研究家用生物质直燃炉烟囱的废热利用。

本文以生物质直燃炉为对象，将温差发电片布置在烟囱壁上，利用烟气余热实现热电转换，并通过储能装置，为送风机提供电力支持。

1 实验系统

1.1 实验装置简介 图1为生物质直燃炉的温差发电系统，系统主要包括三个装置：温差发电装置、送风装置、储能装置。

图1 生物质直燃炉的温差发电系统

温差发电装置如图2所示，分别用四块铁板围成正方形，安装在烟囱上，恰好使烟囱成为正方形的内切圆。在正方形铁板与圆形烟囱构成的空隙中填充高导热率导热硅胶泥。共布置两层这样的铁板和导热硅胶泥。每块铁板上布置两片温差发电片，温差发电片上贴合安装铝质散热片。

图2 温差发电单元组合示意图

强制送风装置如图3所示，使用铝箔胶带布置风道，四块散热片构成一个风道，共构成两个风道。每个风道安装一台小型轴流式风机。如图4所示，在风机出口安装一个渐缩喷嘴，通过风管接入风道。风道出口通过带有三通阀的风管送入炉膛，为炉膛供风。

图3 风道示意图

图4 渐缩喷嘴及管道连接

储能装置是将若干片温差发电片以合适的串并联方式连接，外接稳压模块，对外输出电能。稳压模块与蓄电池连接，对蓄电池进行充电。储能装置具有双USB接口，可供风机正常运转，也可供手机等移动设备充电使用。

1.2 实验方法 将温差发电片电片按图5进行连接，将一台万用表(VICTOR VC890D准确度为±2.0 %+5)串联在回路中测量电流，另一个万用表(VICTOR VC890D准确度度为±0.5 %+3)并联在回路中测量电压。再把两个双通道温度表(CENTER 301准确度为±0.3 %rdg+1℃)测量温差发电片热端温度、冷端温度、直燃炉烟囱壁温以及热风温度。以温差发电片串并联方式、热端温度和温差、风道形状和风机的投停方式等四个方面为变量进行温差发电性能的实验研究。

2 结果与讨论

2.1 温差发电片串并联方式对输出功率的影响 基于理论计算及装置可靠性，将16片温差发电片以8×2、4×4两种串并方式连接。连接方式如图5所示。

图5 温差发电片串并联的连接方式

由图5(a)所知，8×2连接方式是将8片温差发电片串联，构成一组，再将2组进行并联。如图5(b)可知，4×4连接方式是将4片温差发电片串联，构成一组，再将4组进行并联。两种连接方式的实验结果如表1、表2所示。分析数据由图6可知，温差发电片两种串并联方式下输出功率都随着温差线性增加；并且在全程范围内，8×2连接方式的输出功率曲线始终高于4×4连接方式的输出功率曲线；当温差为26.3℃-31.8℃时，8×2连接方式的平均输出功率为4.47 W，4×4连接方式的平均输出功率为2.52 W；两者相比，8×2连接方式的平均输出功率提高77.15%。因此，8×2串并联连接方式性能较优。

表1 8×2连接方式的输出功率

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连接方式的输出功率

图6 输出功率Pout 与8×2、4×4、连接方式下温差Δt曲线图

2.2 风道形状对输出功率的影响 如图3所示，温差发电片以8×2连接方式为对象，构造两种不同形状的风道：梯形和矩形，并使其通流面积保持一致。两种风道形状的实验结果如表1、表3所示。

表3 矩形风道的输出功率

图7 输出功率Pout-梯形(矩形)风道热端温度的曲线图(与温差的关系)

数据分析由图7可知，风道为矩形和梯形时，温差发电片输出功率都随着热端温度线性增加；并且在全程范围内，梯形风道的输出功率曲线始终高于矩形风道的输出功率曲线；当温度为111℃-123℃时，梯形风道的平均输出功率为4.47 W，矩形风道的平均输出功率为2.78 W；两者相比，梯形风道的平均输出功率提高60.8%。因此，采用梯形风道布置较优。

通过实验比较两种不同形状风道对输出功率的影响，使两种形状风道的入口流速尽可能保持一致，在不同的流场分布情况下，比较两者输出功率的大小。当进入风道的流量相等时，出口流速越大，则说明损失越小，其带能走的热量也就越多，故对散热片的冷却效果越好。为使输出功率只受风道形状因素的影响，需保证其他因素尽可能一致，使其不产生附加影响。这与马力辉等人[7]在《极板快速干燥机风道流场的数值模拟和优化》的研究成果相似。据此可分析不同的风道形状影响温差发电片的输出功率的原因：不同的风道形状影响散热片的散热效率，进而影响温差发电片的冷端温度，即影响了温差发电片冷热端的温差，最终影响输出功率。

2.3 风机投停对输出功率的影响

表4 无风机时的输出功率

图8 输出功率Pout-有(无)风机热端温度的曲线图

实验测试过程中，在保证其他因素一定的情况下，分别进行有风机和无风机的对比实验。当燃烧工况较为稳定时，对温差发电片冷、热端温度、电压、电流四个参数进行测量。实验数据如表1、表4所示。将数据进行线性拟合，得到如图8曲线。

分析数据由图8可知，风机投运和停运时，温差发电片输出功率都随着热端温度线性增加；并且在全程内，风机投运的输出功率曲线始终高于风机停运的输出功率曲线。当热端温度为109℃-123℃时，风机停运，温差发电片的平均输出功率为0.875 W；风机投运，温差发电片的平均输出功率为4.47 W。两者相比，风机投运时的平均输出功率为风机停运时的平均输出功率的5倍。因此，采用风机投运方式性能较优。

风机的投运与停运影响的是温差发电片的冷端温度，当热端温度大致相等的情况下，风机投运时，温差发电片的冷端温度更低，即温差更大，进而反映出输出功率是提高的。因此，风机投运可以显著提高温差发电片的输出功率。

2.5 热电转换效率分析 热电转换效率是衡量温差发电片的一项重要指标，能直接反应热流量的利用率与发电量的关系。本项目中，Q 表示从烟囱内壁到温差发电片热端的热流量，E表示温差发电片转换得到的电能，q1表示强制对流带走的热流量，q2表示铝箔纸外侧空气自然对流带走的热量。故：

测得以下平均数据：投风机条件下，采用8×2连接方式，梯形风道布置时，根据表1数据计算平均结果，烟囱壁温度T约为136.57℃，热端温度T1约为116.88℃。从而得到热流量Q约为147.68 W，根据E=4.47 W，可计算得到该温差发电装置热电转化效率约为3.03%。。参考文献热电转换效率都在6%以内[8]，且李国能[9]所计算出的热电转换效率为2.1%。因此，本文热电转换效率处于正常范围。

4 结论

以生物质直燃炉为对象，设计了一套温差发电系统，并对其影响输出功率的四个因素以及热电转换效率进行实验研究，主要结论如下：

(1)本系统温差发电片采用8×2连接方式明显优于4×4连接方式，其输出功率可提高约87.3%。

(2)梯形风道布置方式明显优于矩形风道，其输出功率可提高约25.5 %。

(3)温差发电装置输出功率与温差发电片温差有关系，随着温差增大而增大。

(4)风机投运可增加温差发电装置的输出功率，较风机停运输出功率可提高约80%。

(5)温差发电系统冷热端平均温差约为28.89℃时，热电转换效率约为3.0 3%。