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时间:2019-12-14 07:04:20 作者:ag积分 浏览量:30654

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  摘要:为解决无电区域和火灾、地震和雪灾等特殊条件下的供电问题,设计了一种可燃用木柴和木炭等生物质燃料的水冷式温差发电机,其特点在于引入了一种辐射型的集热器。温差发电机的总质量为23.3kg,集成了直流稳压器,可稳定地对外输出电能。测试了温差发电机的启动特性、空载特性和功率负载特性,结果表明:该温差发电机的平均工作温差为68℃,最大空载电压达到116.3V。当接入负载时,输出功率随外部负载电阻的增大而降低。当外部负载为1.6Ω时,温差发电机可对外输出最大功率为22.4W;继续降低负载电阻时,温差发电机将不能维持稳定地输出电能。

  1)该生物质燃料温差发电机通过水冷方式对冷端进行散热,最大可对外以5V电压输出功率22.4W。

,见下图

  Mal等人[18]研制了一种风冷型温差发电炉,其发电功率约为3W。Sornek等人[19]在壁炉烟囱上安装温差发电模块,获得了5W的最大发电功率。Lertsatitthanakorn[20]等人提出了一种基于翅片散热器的生物质温差发电炉,研究了不同温度下的热电转换效率。实验结果表明,在150℃左右的温差下,最大输出功率可达2.4W,热电转换效率为3.2%。

,见下图

,如下图

朱凌云,李国能,康泰云,陈华锋,郑友取

  2实验结果与分析

如下图

  4)提出的星型集热器设计,可有效提高功率重量比,测试结果显示该温差发电机的功率质量比可达0.96W/kg。

,如下图

,见图

AGapp  3结论

基于生物质燃料的水冷式温差发电机的实验研究

  综上所述,国内外对温差发电炉的研究尚处于起步阶段,大部分文献展示的温差发电炉的发电功率均小于10W[26-27],仅有一款商品化销售的温差发电炉[28]。本文设计了一种基于生物质燃料的水冷式温差发电机,搭建了相关实验测试平台,对该发电机的启动特性、空载特性和功率负载特性进行了测试。该研究可为后续开发更大功率的温差发电炉提供参考。

  综上所述,国内外对温差发电炉的研究尚处于起步阶段,大部分文献展示的温差发电炉的发电功率均小于10W[26-27],仅有一款商品化销售的温差发电炉[28]。本文设计了一种基于生物质燃料的水冷式温差发电机,搭建了相关实验测试平台,对该发电机的启动特性、空载特性和功率负载特性进行了测试。该研究可为后续开发更大功率的温差发电炉提供参考。

  由表1可见,本文设计的水冷式温差发电机的发电功率高于大部分已报道的温差发电机的发电功率,基本可以满足一些小型用电器的充电要求,应用范围广泛。但是,随着发电功率的上升,温差发电机的重量不断增加。由表1可见,本文设计的温差发电机的重量仅比Nuwayhid等人的设计轻便一些,与其他3个设计差距较大,未达到小巧便携。从单位质量发电功率的角度上看,本文设计的温差发电机有一定的优势,这主要得益于全新设计的星型集热结构。值得注意的是,表1中所示的5款温差发电机中仅本文设计的温差发电机采用水冷散热方式,这为今后研发高功率轻便型的水冷式温差发电机提供了一定的参考价值。此外文献[10-11]中的水冷式温差发电炉可最大输出27W的电能,与本文设计的输出功率较为接近,但文献[10-11]未给出其重量,因此未能进行性能对比。

  1)该生物质燃料温差发电机通过水冷方式对冷端进行散热,最大可对外以5V电压输出功率22.4W。

  实验经过反复测试,在6组温差发电单元全部并联的情况下,温差发电机具有自启动能力。实验时,在测试系统中接入一个可调节的直流稳压器,设定输出电压为8V,系统自启动后,整个系统能进入良性循环。

  在装配温差发电单元时,首先在均热铝板上打孔,将导热铜棒通过螺纹固定在均热铝板上;然后,再把铜棒插入炉膛内部,以便与烟气充分接触,吸收烟气热量;其次,将导热硅脂均匀地涂在温差发电片的两端以减少温差发电片与铝板和水冷散热器的接触热阻。温差发电单元如图2所示。温差发电片的型号是“TEP-126T200”,最高耐温260℃,半导体材料为碲化铋,电堆数为126对,尺寸为40mm(长)×40mm(宽)×3.8mm(高)。在温差发电单元下方的炉膛外包有保温棉,防止热量流失。实验中,将4片温差发电片串联连接成1组,一共6组,6组温差发电片的串并联方式由实际实验需要进行调整。

  Mal等人[18]研制了一种风冷型温差发电炉,其发电功率约为3W。Sornek等人[19]在壁炉烟囱上安装温差发电模块,获得了5W的最大发电功率。Lertsatitthanakorn[20]等人提出了一种基于翅片散热器的生物质温差发电炉,研究了不同温度下的热电转换效率。实验结果表明,在150℃左右的温差下,最大输出功率可达2.4W,热电转换效率为3.2%。

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  2.2空载特性

  实验测试分为3个部分:1)启动特性测试:该部分实验从点火开始记录输入电压、水泵电压、电流以及冷热端温度数据,直至自供电水泵开始正常工作,待系统达到一个稳定的工作状态后,停止实验记录,整个过程所耗时间约为1000s。2)空载特性测试:该部分实验从点火开始记录温度与输出电压的关系,直至输出电压达到最高后,停止添加木块,让剩余的木块继续燃烧,直至炉膛内的燃料燃烧完全后,且冷热端温度降低至与实验开始时冷热端温度基本相同时停止。3)功率负载特性:当燃烧稳定后,通过调节Prodigit3311F电子负载获得不同的外部负载阻值,以测试该温差发电机在不同负载下的功率输出特性。

  3)输出功率随外部电阻的减小而增大,当外部电阻值为1.6Ω时,发电机净对外输出功率达到最大值,为22.4W。当外部电子负载低于1.6Ω时,温差发电机不能维持稳定运行。

  由表1可见,本文设计的水冷式温差发电机的发电功率高于大部分已报道的温差发电机的发电功率,基本可以满足一些小型用电器的充电要求,应用范围广泛。但是,随着发电功率的上升,温差发电机的重量不断增加。由表1可见,本文设计的温差发电机的重量仅比Nuwayhid等人的设计轻便一些,与其他3个设计差距较大,未达到小巧便携。从单位质量发电功率的角度上看,本文设计的温差发电机有一定的优势,这主要得益于全新设计的星型集热结构。值得注意的是,表1中所示的5款温差发电机中仅本文设计的温差发电机采用水冷散热方式,这为今后研发高功率轻便型的水冷式温差发电机提供了一定的参考价值。此外文献[10-11]中的水冷式温差发电炉可最大输出27W的电能,与本文设计的输出功率较为接近,但文献[10-11]未给出其重量,因此未能进行性能对比。

1.  3)输出功率随外部电阻的减小而增大,当外部电阻值为1.6Ω时,发电机净对外输出功率达到最大值,为22.4W。当外部电子负载低于1.6Ω时,温差发电机不能维持稳定运行。

  1.1水冷式温差发电机简介

  测试温差发电机的空载特性时,水泵由外部电源供电,这样可以更准确地反映该温差发电机的发电性能,排除直流稳压器的影响。将6组温差发电单元串联后接入电压表,测量该温差发电机的最大电压。从燃烧启动开始记录数据,当输出电压达到峰值时停止继续投放燃料,直至系统冷却,记录整个动态燃烧实验过程。在实验过程中,冷端温度保持在30℃左右,热端温度不断上升,峰值为102℃。

  2.2空载特性

  2.2空载特性

2.  由表1可见,本文设计的水冷式温差发电机的发电功率高于大部分已报道的温差发电机的发电功率,基本可以满足一些小型用电器的充电要求,应用范围广泛。但是,随着发电功率的上升,温差发电机的重量不断增加。由表1可见,本文设计的温差发电机的重量仅比Nuwayhid等人的设计轻便一些,与其他3个设计差距较大,未达到小巧便携。从单位质量发电功率的角度上看,本文设计的温差发电机有一定的优势,这主要得益于全新设计的星型集热结构。值得注意的是,表1中所示的5款温差发电机中仅本文设计的温差发电机采用水冷散热方式,这为今后研发高功率轻便型的水冷式温差发电机提供了一定的参考价值。此外文献[10-11]中的水冷式温差发电炉可最大输出27W的电能,与本文设计的输出功率较为接近,但文献[10-11]未给出其重量,因此未能进行性能对比。

  图7为温差发电机空载特性曲线,其中温差为6组温差发电单元的平均温差。由图7可见,温差发电机的输出电压与冷热端温差成正比,温差越大,输出电压越大。当温差达到68℃时,输出电压达到116.3V。该数值为该装置中6组温差发电单元串联后,在该温差下的最大空载电压,此时单片温差发电片的输出电压为4.85V。值得注意的是,在温差相同的情况下,温差发电机在温差上升过程中的输出电压要比温差下降过程的输出电压大。这种特性一方面是由热电材料本身造成的,另一方面是由于热电偶测温时其时间常数较大,测量数值不能及时跟随温差变化,导致升温过程中测量温差小于实际温差,而在降温过程中测量温差大于实际温差。

3.。

  水冷式温差发电机由燃烧器、集热器和温差发电单元组成。图1为该温差发电机的样机,主要由炉膛、环形烟道、集热器、连接卡环、保温棉和温差发电单元构成。温差发电单元是温差发电机的核心部件,由均热铝板、温差发电片、水冷散热器和水泵组成。炉膛主体采用不锈钢材料,直径为100mm,竖直高度为530mm,在不同位置打孔安装导热铜棒构成集热器,即24根直径为12mm的导热铜棒分6组均匀安装在炉膛的周围,每根铜棒间隔40mm,深入炉膛40mm。在靠近底部140mm的位置开有100mm×70mm的矩形添料口,其底部焊有炉排,用于支撑生物质燃料。炉膛顶部设有一个四分之一的环形烟道,用环形卡环与炉膛连接。环形烟道上焊有一个130mm×110mm方形拉环,用于手持移动。整个装置由3根不锈钢支架支撑,炉膛底部距离地面120mm。

  2.2空载特性

  4)提出的星型集热器设计,可有效提高功率重量比,测试结果显示该温差发电机的功率质量比可达0.96W/kg。

4.

  2.2空载特性

基于生物质燃料的水冷式温差发电机的实验研究  1.1水冷式温差发电机简介

  1.1水冷式温差发电机简介

  2实验结果与分析

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  世界上有30亿人口需要使用生物质等固体燃料来烹饪食物、照明和取暖[8]。在世界范围内仍有超过13亿人口无法获得电力,无法融入现代文明生活[9]。此外,在发生自然灾害后,如何就地便捷获取电力至今仍是技术难题。为解决无电区域和极端条件下的供电问题,一种可行的方法是将传统的炉具与温差发电模块相结合,在实现炊事和取暖的同时获得一定量的电力,这种方法的应用即为温差发电炉。由于生物质燃料在生命周期内二氧化碳零排放的特性,因此基于生物质燃料的温差发电炉具有重要的研究意义。

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