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行业知识

微型生物质燃烧机热电转化实验研究

微型生物质燃烧机热电转化实验研究

搞要:描述了微型生物质燃烧机内产生的热能通过热电转化途径转化为电能的实验研究。微生物质燃烧机由石英材料组成,热电单元采用碲化铋系合金。实验采用了减少接触热阻的方法来提高热的传导。试验中得到了流量、温度、输出电压和热电转化效率问的关系并给出改进实验的思路。发现在实验条件下燃烧器壁面温度随流量呈正比关系,输出电压和功率随流量的增大而增大,系统的能量转化效率随流量的增大而减小。实验中获得的最大输出电压为1.84 V,最大输出功率为368mW,最大转化效率为1.052%。

0引言

    燃科在微尺度下燃烧所释放的能量与电池相比,它的单位质量功率密度是目前最先进电池的10~100倍‘1],因此微型燃烧设备可作为很有前途的PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”试用版本创建替代电池;同时微型燃烧设备可以应用在微型卫星、微型飞行器上作为动力源和电源。基于这些考虑,国际上从20世纪90年代中期开始兴起了对微燃烧的研引2。8]。从微生物质燃烧机产生能量的利用方式来看,有采用先转化为机械能然后再转化为电能的方法、热电转化的方法、热光伏电转化的方法和热离子转化的方法等[2-6]。这些工作中设计了不同的燃烧结构,对能量的利用进行了不同程度的研究。

    热电转化、热光伏电转化、热离子转化等转化方式由于没有运动部分从而能够减小摩擦损失和泄漏,同时消除了噪音,而且这些发电方式可靠性高、连续运行时间长、不需要维修保养。这使得微燃烧器应用在军事和空间技术领域中的微小型飞行器中作为动力源和电源具有相当大的吸引力。

    目前来看,这几种没有运动部分的转化途径中,相对而言通过热电转化途径转化能量的效率较高,而且结构较为简单。在微尺度下,通过先进的微型加工工艺MEMS加工能够很好的集成热电单元,且以硅基为基础的该工艺茌微型化的过程中实现较为方便。同时在高温下硅基半导体具有最优化的热电转化效率,因此通过MEMS加工设备同时集成硅基热电元件是一种比较理想的选择。

    S.B.Schaevitz等以氢气为燃料,铂为催化剂的微生物质燃烧机可在500℃稳定运行,能够产生7V的稳定电压,但设备的热电转化效率较低,只有0.02嘣1]。F.Ochoa等以Bi2Te3为电镀材料构造了称为wiss -roll的生物质燃烧机热电转化结构,将微燃烧室的高温能量通过壁面热电材料转化成电能。同时,设计的这种结构增加了对流换热,预热了反应物,降低了散热损失‘9]。尽管目前微燃烧还处于初步研究阶段,G.J.Snyder等[10]认为在3%的转化效率下,热电转化依然有高于锂离子电池的功率密度。因此微燃烧中采取热电转化有可能是一种良好的替代电池的途径。同时也可以看到如果对利用热电转化方式转化能量的微生物质燃烧机中采取适当的方法,在提高转化效率上还有很大的空间。

    但所有这些关于微燃烧的研究基本都是在探索阶段,设备的转化效率不高。而且由于制造、测量的限制以及对微结构内燃烧、传热、传质等机理研究相对较少,微燃烧的应用并不十分成熟,因此要从实验室走向应用的层面还有许多工作需要开展。本文拟通过实验来研究热电转化对微生物质燃烧机能量的利用,探索提高微生物质燃烧机转化效率的方法。

1  热电转化原理和优化设计讨论

    热电(TE)发生器基本上由3部分组成:热源、冷源和热电器件。热源和冷源为系统提供温度梯度,热电器件由赛贝克效应将热能转化为电能。一般热电器件是由一组相互串联的热电单元组成,热电单元是由相连的N型和P型半导体材料组成。当热电单元两端存在温差时,热能驱使两种载流子(N型中的电子,P型中的空穴1流向冷端,在两电极间形成电动势。外接用电设备即可输出有用功。

    但实际上,热电元件的工作性能由于受到接触界面性质的影响,低于理想条件下的性能。这主要是由于接触电阻和接触热阻两方面的因素影响。而影响接触电阻的主要因素有两个方面:收缩电阻和膜电阻,收缩电阻和膜电阻又分别受材料内部温度、PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”试用版本创建材料的电阻率、材料的弹塑性性能、表面化学性能及接触压力等诸多因素的影响。除此之外,接触电阻还取决于器件的生产工艺过程。接触热阻是由于相互接触的固体表面,实际上接触仅仅发生在一些离散的接触面积上,将全部热流线收缩才能通过这些局部的离散面积,热流线的收缩使得接触面产生了热阻。这样真正起作用的热屯元件两端的温差要低于与它接触的表面与冷端的温差,从而影响了性能。因此可通过增加薄层延展性好、导热系数高的材料和涂敷薄导热涂层的方法改进。

    理论和实验表明热电转化对热电材料冷端和热端的温差有一定的要求,温度梯度越大越好[11-12]。宏观尺度上的结果表明,在温差较小时热电转化的效率很低。但当在温差较大的条件下,转化效率会提高很多,当冷端处于环境温度、热端温度为227 0C时为10%左右,当热端温度达到7270C时会超过20 0lo[13]。C.Zener推导半导体热电发电在理论上能够达到的最大效率为35 [14]。尽管微观尺度上现在还很少有这方面的具体报道,但根据工作原理,在设计过程中尽可能考虑采取增大温度梯度的设计思路。

    在较低的温度下,目前最好的的P型热电材料是Bi2_xSb。Te3,最好的N型热电材料是Bi2Te3-。Se。以及Bi2Te3-Sb2Te3-Bi2Se3,优值Z-般在2.5 xl0-3/K左右[15]。

    根据以上的分析,对于通过热电转化途径利用微生物质燃烧机燃烧产生能量的设备,为了充分地利用生成的能量、获得最大的输出功率和更加有效地利用温差,在实验和设计中首先要选择合适的热电器件,其次耍增大热电结两端的温差,同时要通过适当方法减少接触电阻和接触热阻。

2实验装置

    为了对微尺度下通过热电转化设备转化的燃烧能量有进一步的理解,笔者设计了实验系统如图1所示的微小型石英生物质燃烧机热电转化装置,燃烧室壁面温度通过红外高温仪Raynger3i (2ML3)测量。

    在微型生物质燃烧机的热电转化装置中,微生物质燃烧机为热源,生物质燃烧机内通入氢气和空气,以10 kV的高电压在燃烧室内产生电火花点燃混合气,燃烧产生热能;零度的冰水混合物为冷源;中间的热电转化器件将热能转化为电能。设计的燃烧装置由3层空腔结构组成,3个腔体的高度都为2 mm,直径为10 mm,结构材料为石英通过不同的通道进入预混室混合;中间的一层为燃烧室,电子打火在这里打火点燃预混的气体;上面一层为烟气流出室,通过布置在流出室的烟气挡板,改变烟气的流动,增强烟气和生物质燃烧机壁面和盖板的换热。为了减小接触热阻,生物质燃烧机最上面一层的盖板为厚度为0.5 mm的铜片,同时在与热电元件接触的表面上涂上一层导热硅脂。热电转化器件是由并联在一起的上、下两层8x8 mm的热电材料组成,每层是有31对热电对串联构成。微生物质燃烧机和热电转化装置如图2所示。整个结构的高为3 cm。本实验选用的碲化铋系合金是比较适合在200 0C左右作温差发电的材料,已大量用于制作半导体的制冷元件。

3  实验结果和分析

    实验中,氢气、空气先分别进入预混室混合,然后流入燃烧室,在燃烧室内通过lOkV的高电压打火点燃预混气体。实验中发现燃烧室中的混合气被点燃后火焰很快后退,在氢气和空气对冲扩散的交叉点形成稳定的燃烧。这样原未设计的预混室同时充当燃烧室的作用,而原来设计的燃烧室和最上面的烟气流出室一起仅仅作为烟气流通通道。在燃烧室最上面的铜片上获得相对较高的温度,它与冷源之间的温差使得热电材料的两端产生了温度梯度。在赛贝克效应的作用下,产生了电动势。这样PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”试用版本创建最后的结果是燃料燃烧产生的一部分热能转化为电能。

    实验中通过调节氢气一空气的流量及在不同的当量比下燃烧,获得不同的燃烧温度。图3、图4分别为不同当量下生物质燃烧机预混室壁温和铜片表面温度随氢气体积流量Hv的变化。由图可见,在一定的当量下,燃烧室壁温和铜片盖板温度随流量的增大而升高,基本上呈线性关系,这是由于大流量下参与化学反应的物质增多,反应热增多,而散热增长较为缓慢,从而导致了壁面温度升高。对比图3和图4可见在相同工况下铜片的温度比预混室壁温低的并不是太多,这一方面是由于燃烧结构较小,热量从预混室传递到烟气流出室的时间较短从而温度变化较小,另一方面铜片的导热快于石英而且厚度较薄,这样也有利于温度的提高。实验中可以看到在当量比较接近时,不同当量比下壁面温度的差值并不明显,这跟材料的热容有一定关系。

    图5为热电转化器件的输出电压Vo随流量的变化关系。相对应不同的电压输出和功率输出。可见输出的电压随流量的增大而升高。图6为不同当量下的转化效率,整个设备的转化效率通过下式求出:

转化效率高可能是由于热电器件较厚而且采用了双层结构的结果。同时可见最大的转化效率是在小流量下获得的,这说明实验中大流量下的温度偏离了所采用的热电元件的最优温度范围。尽管如此,由于具有较大的温差,实验中在大流量下取得最大的输出电压和输出功率,其值分别为1.84V和368 mW。

    图7为由=1时铜片在不同温度下功率输出和燃烧效率的变化曲线。由图可见随着流量的增加,温度的升高,整个系统的输出功率是增加的,但能量的转化效率是下降的。原因应该是随着温度升高,热电材料两侧的温差加大,从而输出电压增大,功率增大。而转化效率的下降是由于碲化铋系合金热电材料的最佳温度范围是在200 0C左右,当铜片温度逐渐升高,偏离最佳温度范围越来越远,从而导致转化效率的降低。可以预测,随着流量的继续增大,效率有可能还会继续下降。在本实验中,由于红外高温仪的测温范围在200 0C以上,而气体燃烧没有在预想的燃烧室而足在预混室燃烧,设计的预混室中没有考虑用热电偶来测量,对气体在更小的流量下的燃烧难以给出定性的说明。但笔者此前在同燃烧容积的石英管中所做的燃烧实验表明,在更小的氢气/空气混合流量下(当时氢气流量可达到8 mL/min),燃烧能够维持稳定。因此在进一步的优化实验设计中相信可以在更小的流量下取得更高的转化效率,这样消耗更少的燃料,获得更大的转PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”试用版本创建化效率,对微生物质燃烧机具有很重要的意义。

4今后的改进

    在一定的温差下,可以认为每个热电单元上的电流』是相等的,由于输出功率P =/2R,显然如果热电器件上能够布置更多的热电单元,则输出功率会更大。但对于微型热电设备而言,太多的热电单元会增加它的体积和重量。不过由于热电材料布置的灵活性,应尽可能地考虑增大它在燃烧设备周围分布的面积。本实验中热能的利用面积很小,热电元件的面积只占整个生物质燃烧机外表面的5.3%,如果考虑将更多的外表面利用起来作为装置的热源,这样整个设备效率捉高的空间还很大。另一方面,目前常用的热电器件有3类,它们分别是基于碲化铋、碲化铅和锗化硅材料工作的。由于材料特性的不同,具有不同的最佳运行温度范围,分别为<227 0C、227~627 0C和827~10270C左右‘13—1 6]。碲化铅和锗化硅材料的最佳工作温度范围比碲化铋的温度高了很多,在利用燃烧产生的能量中它们应该具有更大的优势,同时以硅基材料为基础的热电元件由于可通过MEMS加工方法很方便地集成到微系统中,更是具有很大的潜力。在今后的研究中可尝试向这些方向开展工作和改进。

5结论

    本文在微尺度下对氢气一空气进行了燃烧实验,实验中能够获得稳定的燃烧,壁面的温度随着流量的增大而升高。在生物质燃烧机上表面布置了热电转化材料,获得了相对较高的热电转化效率。实验表明,尽管在较大的气体流量下有较大的功率输出,但在较小的气体流量下热电转化效率较高。

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点击次数:  更新时间:2018-06-11 22:29:41  【打印此页】  【关闭