| 微型生物質(zhì)燃燒機熱電轉(zhuǎn)化實驗研究 |
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微型生物質(zhì)燃燒機熱電轉(zhuǎn)化實驗研究 搞要：描述了微型生物質(zhì)燃燒機內(nèi)產(chǎn)生的熱能通過熱電轉(zhuǎn)化途徑轉(zhuǎn)化為電能的實驗研究。微生物質(zhì)燃燒機由石英材料組成，熱電單元采用碲化鉍系合金。實驗采用了減少接觸熱阻的方法來提高熱的傳導(dǎo)。試驗中得到了流量、溫度、輸出電壓和熱電轉(zhuǎn)化效率問的關(guān)系并給出改進實驗的思路。發(fā)現(xiàn)在實驗條件下燃燒器壁面溫度隨流量呈正比關(guān)系，輸出電壓和功率隨流量的增大而增大，系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率隨流量的增大而減小。實驗中獲得的輸出電壓為1.84 V，輸出功率為368mW，轉(zhuǎn)化效率為1.052%。 0引言 燃科在微尺度下燃燒所釋放的能量與電池相比，它的單位質(zhì)量功率密度是目前電池的10～100倍‘1]，因此微型燃燒設(shè)備可作為很有前途的PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”試用版本創(chuàng)建替代電池；同時微型燃燒設(shè)備可以應(yīng)用在微型衛(wèi)星、微型飛行器上作為動力源和電源；谶@些考慮，國際上從20世紀(jì)90年代中期開始興起了對微燃燒的研引2。8]。從微生物質(zhì)燃燒機產(chǎn)生能量的利用方式來看，有采用先轉(zhuǎn)化為機械能然后再轉(zhuǎn)化為電能的方法、熱電轉(zhuǎn)化的方法、熱光伏電轉(zhuǎn)化的方法和熱離子轉(zhuǎn)化的方法等[2-6]。這些工作中設(shè)計了不同的燃燒結(jié)構(gòu)，對能量的利用進行了不同程度的研究。 熱電轉(zhuǎn)化、熱光伏電轉(zhuǎn)化、熱離子轉(zhuǎn)化等轉(zhuǎn)化方式由于沒有運動部分從而能夠減小摩擦損失和泄漏，同時消除了噪音，而且這些發(fā)電方式可靠性高、連續(xù)運行時間長、不需要維修保養(yǎng)。這使得微燃燒器應(yīng)用在和空間技術(shù)領(lǐng)域中的微小型飛行器中作為動力源和電源具有相當(dāng)大的吸引力。 目前來看，這幾種沒有運動部分的轉(zhuǎn)化途徑中，相對而言通過熱電轉(zhuǎn)化途徑轉(zhuǎn)化能量的效率較高，而且結(jié)構(gòu)較為簡單。在微尺度下，通過先進的微型加工工藝MEMS加工能夠很好的集成熱電單元，且以硅基為基礎(chǔ)的該工藝茌微型化的過程中實現(xiàn)較為方便。同時在高溫下硅基半導(dǎo)體具有化的熱電轉(zhuǎn)化效率，因此通過MEMS加工設(shè)備同時集成硅基熱電元件是一種比較理想的選擇。 S.B.Schaevitz等以氫氣為燃料，鉑為催化劑的微生物質(zhì)燃燒機可在500℃穩(wěn)定運行，能夠產(chǎn)生7V的穩(wěn)定電壓，但設(shè)備的熱電轉(zhuǎn)化效率較低，只有0.02嘣1]。F．Ochoa等以Bi2Te3為電鍍材料構(gòu)造了稱為wiss -roll的生物質(zhì)燃燒機熱電轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，將微燃燒室的高溫能量通過壁面熱電材料轉(zhuǎn)化成電能。同時，設(shè)計的這種結(jié)構(gòu)增加了對流換熱，預(yù)熱了反應(yīng)物，降低了散熱損失‘9]。盡管目前微燃燒還處于初步研究階段，G.J．Snyder等[10]認(rèn)為在3%的轉(zhuǎn)化效率下，熱電轉(zhuǎn)化依然有高于鋰離子電池的功率密度。因此微燃燒中采取熱電轉(zhuǎn)化有可能是一種良好的替代電池的途徑。同時也可以看到如果對利用熱電轉(zhuǎn)化方式轉(zhuǎn)化能量的微生物質(zhì)燃燒機中采取適當(dāng)?shù)姆椒，在提高轉(zhuǎn)化效率上還有很大的空間。 但所有這些關(guān)于微燃燒的研究基本都是在探索階段，設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率不高。而且由于制造、測量的限制以及對微結(jié)構(gòu)內(nèi)燃燒、傳熱、傳質(zhì)等機理研究相對較少，微燃燒的應(yīng)用并不十分成熟，因此要從實驗室走向應(yīng)用的層面還有許多工作需要開展。本文擬通過實驗來研究熱電轉(zhuǎn)化對微生物質(zhì)燃燒機能量的利用，探索提高微生物質(zhì)燃燒機轉(zhuǎn)化效率的方法。 1 熱電轉(zhuǎn)化原理和優(yōu)化設(shè)計討論 熱電(TE)發(fā)生器基本上由3部分組成：熱源、冷源和熱電器件。熱源和冷源為系統(tǒng)提供溫度梯度，熱電器件由賽貝克效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。一般熱電器件是由一組相互串聯(lián)的熱電單元組成，熱電單元是由相連的N型和P型半導(dǎo)體材料組成。當(dāng)熱電單元兩端存在溫差時，熱能驅(qū)使兩種載流子(N型中的電子，P型中的空穴1流向冷端，在兩電極間形成電動勢。外接用電設(shè)備即可輸出有用功。 但實際上，熱電元件的工作性能由于受到接觸界面性質(zhì)的影響，低于理想條件下的性能。這主要是由于接觸電阻和接觸熱阻兩方面的因素影響。而影響接觸電阻的主要因素有兩個方面：收縮電阻和膜電阻，收縮電阻和膜電阻又分別受材料內(nèi)部溫度、PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”試用版本創(chuàng)建材料的電阻率、材料的彈塑性性能、表面化學(xué)性能及接觸壓力等諸多因素的影響。除此之外，接觸電阻還取決于器件的生產(chǎn)工藝過程。接觸熱阻是由于相互接觸的固體表面，實際上接觸僅僅發(fā)生在一些離散的接觸面積上，將全部熱流線收縮才能通過這些局部的離散面積，熱流線的收縮使得接觸面產(chǎn)生了熱阻。這樣真正起作用的熱屯元件兩端的溫差要低于與它接觸的表面與冷端的溫差，從而影響了性能。因此可通過增加薄層延展性好、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料和涂敷薄導(dǎo)熱涂層的方法改進。 理論和實驗表明熱電轉(zhuǎn)化對熱電材料冷端和熱端的溫差有一定的要求，溫度梯度越大越好[11-12]。宏觀尺度上的結(jié)果表明，在溫差較小時熱電轉(zhuǎn)化的效率很低。但當(dāng)在溫差較大的條件下，轉(zhuǎn)化效率會提高很多，當(dāng)冷端處于環(huán)境溫度、熱端溫度為227 0C時為10%左右，當(dāng)熱端溫度達(dá)到7270C時會超過20 0lo[13]。C.Zener推導(dǎo)半導(dǎo)體熱電發(fā)電在理論上能夠達(dá)到的效率為35 [14]。盡管微觀尺度上現(xiàn)在還很少有這方面的具體報道，但根據(jù)工作原理，在設(shè)計過程中盡可能考慮采取增大溫度梯度的設(shè)計思路。 在較低的溫度下，目前的的P型熱電材料是Bi2_xSb。Te3，的N型熱電材料是Bi2Te3-。Se。以及Bi2Te3-Sb2Te3-Bi2Se3，優(yōu)值Z-般在2.5 xl0-3/K左右[15]。 根據(jù)以上的分析，對于通過熱電轉(zhuǎn)化途徑利用微生物質(zhì)燃燒機燃燒產(chǎn)生能量的設(shè)備，為了充分地利用生成的能量、獲得的輸出功率和更加有效地利用溫差，在實驗和設(shè)計中首先要選擇合適的熱電器件，其次耍增大熱電結(jié)兩端的溫差，同時要通過適當(dāng)方法減少接觸電阻和接觸熱阻。 2實驗裝置 為了對微尺度下通過熱電轉(zhuǎn)化設(shè)備轉(zhuǎn)化的燃燒能量有進一步的理解，筆者設(shè)計了實驗系統(tǒng)如圖1所示的微小型石英生物質(zhì)燃燒機熱電轉(zhuǎn)化裝置，燃燒室壁面溫度通過紅外高溫儀Raynger3i (2ML3)測量。 在微型生物質(zhì)燃燒機的熱電轉(zhuǎn)化裝置中，微生物質(zhì)燃燒機為熱源，生物質(zhì)燃燒機內(nèi)通入氫氣和空氣，以10 kV的高電壓在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生電火花點燃混合氣，燃燒產(chǎn)生熱能；零度的冰水混合物為冷源；中間的熱電轉(zhuǎn)化器件將熱能轉(zhuǎn)化為電能。設(shè)計的燃燒裝置由3層空腔結(jié)構(gòu)組成，3個腔體的高度都為2 mm，直徑為10 mm，結(jié)構(gòu)材料為石英通過不同的通道進入預(yù)混室混合；中間的一層為燃燒室，電子打火在這里打火點燃預(yù)混的氣體；上面一層為煙氣流出室，通過布置在流出室的煙氣擋板，改變煙氣的流動，增強煙氣和生物質(zhì)燃燒機壁面和蓋板的換熱。為了減小接觸熱阻，生物質(zhì)燃燒機最上面一層的蓋板為厚度為0.5 mm的銅片，同時在與熱電元件接觸的表面上涂上一層導(dǎo)熱硅脂。熱電轉(zhuǎn)化器件是由并聯(lián)在一起的上、下兩層8x8 mm的熱電材料組成，每層是有31對熱電對串聯(lián)構(gòu)成。微生物質(zhì)燃燒機和熱電轉(zhuǎn)化裝置如圖2所示。整個結(jié)構(gòu)的高為3 cm。本實驗選用的碲化鉍系合金是比較適合在200 0C左右作溫差發(fā)電的材料，已大量用于制作半導(dǎo)體的制冷元件。 3 實驗結(jié)果和分析 實驗中，氫氣、空氣先分別進入預(yù)混室混合，然后流入燃燒室，在燃燒室內(nèi)通過lOkV的高電壓打火點燃預(yù)混氣體。實驗中發(fā)現(xiàn)燃燒室中的混合氣被點燃后火焰很快后退，在氫氣和空氣對沖擴散的交叉點形成穩(wěn)定的燃燒。這樣原未設(shè)計的預(yù)混室同時充當(dāng)燃燒室的作用，而原來設(shè)計的燃燒室和最上面的煙氣流出室一起僅僅作為煙氣流通通道。在燃燒室最上面的銅片上獲得相對較高的溫度，它與冷源之間的溫差使得熱電材料的兩端產(chǎn)生了溫度梯度。在賽貝克效應(yīng)的作用下，產(chǎn)生了電動勢。這樣PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”試用版本創(chuàng)建最后的結(jié)果是燃料燃燒產(chǎn)生的一部分熱能轉(zhuǎn)化為電能。 實驗中通過調(diào)節(jié)氫氣一空氣的流量及在不同的當(dāng)量比下燃燒，獲得不同的燃燒溫度。圖3、圖4分別為不同當(dāng)量下生物質(zhì)燃燒機預(yù)混室壁溫和銅片表面溫度隨氫氣體積流量Hv的變化。由圖可見，在一定的當(dāng)量下，燃燒室壁溫和銅片蓋板溫度隨流量的增大而升高，基本上呈線性關(guān)系，這是由于大流量下參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)增多，反應(yīng)熱增多，而散熱增長較為緩慢，從而導(dǎo)致了壁面溫度升高。對比圖3和圖4可見在相同工況下銅片的溫度比預(yù)混室壁溫低的并不是太多，這一方面是由于燃燒結(jié)構(gòu)較小，熱量從預(yù)混室傳遞到煙氣流出室的時間較短從而溫度變化較小，另一方面銅片的導(dǎo)熱快于石英而且厚度較薄，這樣也有利于溫度的提高。實驗中可以看到在當(dāng)量比較接近時，不同當(dāng)量比下壁面溫度的差值并不明顯，這跟材料的熱容有一定關(guān)系。 圖5為熱電轉(zhuǎn)化器件的輸出電壓Vo隨流量的變化關(guān)系。相對應(yīng)不同的電壓輸出和功率輸出？梢娸敵龅碾妷弘S流量的增大而升高。圖6為不同當(dāng)量下的轉(zhuǎn)化效率，整個設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率通過下式求出： 轉(zhuǎn)化效率高可能是由于熱電器件較厚而且采用了雙層結(jié)構(gòu)的結(jié)果。同時可見的轉(zhuǎn)化效率是在小流量下獲得的，這說明實驗中大流量下的溫度偏離了所采用的熱電元件的溫度范圍。盡管如此，由于具有較大的溫差，實驗中在大流量下取得的輸出電壓和輸出功率，其值分別為1.84V和368 mW。 圖7為由=1時銅片在不同溫度下功率輸出和燃燒效率的變化曲線。由圖可見隨著流量的增加，溫度的升高，整個系統(tǒng)的輸出功率是增加的，但能量的轉(zhuǎn)化效率是下降的。原因應(yīng)該是隨著溫度升高，熱電材料兩側(cè)的溫差加大，從而輸出電壓增大，功率增大。而轉(zhuǎn)化效率的下降是由于碲化鉍系合金熱電材料的溫度范圍是在200 0C左右，當(dāng)銅片溫度逐漸升高，偏離溫度范圍越來越遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率的降低。可以預(yù)測，隨著流量的繼續(xù)增大，效率有可能還會繼續(xù)下降。在本實驗中，由于紅外高溫儀的測溫范圍在200 0C以上，而氣體燃燒沒有在預(yù)想的燃燒室而足在預(yù)混室燃燒，設(shè)計的預(yù)混室中沒有考慮用熱電偶來測量，對氣體在更小的流量下的燃燒難以給出定性的說明。但筆者此前在同燃燒容積的石英管中所做的燃燒實驗表明，在更小的氫氣／空氣混合流量下(當(dāng)時氫氣流量可達(dá)到8 mL/min)，燃燒能夠維持穩(wěn)定。因此在進一步的優(yōu)化實驗設(shè)計中相信可以在更小的流量下取得更高的轉(zhuǎn)化效率，這樣消耗更少的燃料，獲得更大的轉(zhuǎn)PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”試用版本創(chuàng)建化效率，對微生物質(zhì)燃燒機具有很重要的意義。 4今后的改進 在一定的溫差下，可以認(rèn)為每個熱電單元上的電流』是相等的，由于輸出功率P =/2R，顯然如果熱電器件上能夠布置更多的熱電單元，則輸出功率會更大。但對于微型熱電設(shè)備而言，太多的熱電單元會增加它的體積和重量。不過由于熱電材料布置的靈活性，應(yīng)盡可能地考慮增大它在燃燒設(shè)備周圍分布的面積。本實驗中熱能的利用面積很小，熱電元件的面積只占整個生物質(zhì)燃燒機外表面的5.3%，如果考慮將更多的外表面利用起來作為裝置的熱源，這樣整個設(shè)備效率捉高的空間還很大。另一方面，目前常用的熱電器件有3類，它們分別是基于碲化鉍、碲化鉛和鍺化硅材料工作的。由于材料特性的不同，具有不同的運行溫度范圍，分別為<227 0C、227～627 0C和827～10270C左右‘13—1 6]。碲化鉛和鍺化硅材料的工作溫度范圍比碲化鉍的溫度高了很多，在利用燃燒產(chǎn)生的能量中它們應(yīng)該具有更大的優(yōu)勢，同時以硅基材料為基礎(chǔ)的熱電元件由于可通過MEMS加工方法很方便地集成到微系統(tǒng)中，更是具有很大的潛力。在今后的研究中可嘗試向這些方向開展工作和改進。 5結(jié)論 本文在微尺度下對氫氣一空氣進行了燃燒實驗，實驗中能夠獲得穩(wěn)定的燃燒，壁面的溫度隨著流量的增大而升高。在生物質(zhì)燃燒機上表面布置了熱電轉(zhuǎn)化材料，獲得了相對較高的熱電轉(zhuǎn)化效率。實驗表明，盡管在較大的氣體流量下有較大的功率輸出，但在較小的氣體流量下熱電轉(zhuǎn)化效率較高。 |
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