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液-液热电发电机在负载电阻增大情况下峰值功率输出的实验分析
作者：Freacute;deacute;ric J. Lesage,Nicolas Pageacute;-Potvin
摘要
对使用碲化铋Bi2Te3半导体模块的热电电力生产的大量最新研究进展已经揭示了利用低温工业余热高效转化为电能的潜力。为了使该过程更符合成本效益，对在模块的功率输出加以更多的外部控制的研究是必要的。这样的研究将有助于它们用于利用可用的废热热电发生器设计的理解。为此，进行了一个处于最可调工作参数上电阻负载下的热电液-液发电机的实验研究。一个基于建立在商业可行的Bi2Te3热电模块的温度梯度通过注射和抑制逆流冷热液体时带来的热量得以实现。通过改变热输入的实验方法来研究热电输出功率和不断增长的负载的关系。结果揭示了液-液发电机具有在最适负载下输出功率能达到峰值的热电特性。热电输出峰值和热输入条件以及所匹配负载关系的研究得意提出。
关键词
热电发电机;余热回收利用;热转化;负载匹配
1.简介
热电模块现在正在各种发电设施中得以应用，其中热量资源是从诸如纸浆和造纸生产，数据中心冷却系统和发动机的排气处理废热考虑。在这样的考虑，目的是产生从低档废热即温度范围为25-225℃的范围内的电力。在该范围内，半导体碲化铋（Bi2Te3）已被证明[1]，[2] 和 [3]是对利用被称为塞贝克效应的热电现象的最有效的可商购的热电材料。因为这个原因，在温差发电的低温应用的许多研究调查Bi2Te3的热电模块[4] ，[5] 和 [6] 。
一般，温差发电旨在利用低成本的热源[7] ，[8] 和 [9] 。例如，[10] ，[11] 和 [12]详细的潜在用途在汽车废热回收热电模块 ，[13]显示了使用热电材料的生物质炉灶废热转换为电能，及[14 ]通过集中透镜耦合热电模块研究太阳能的治理。在这样的应用中，可变操作条件意味着可变热输入条件。人们普遍认为，这样的动态系统需要为最佳功率输出的变化的电负载; 的确，[15]描述了排气余热回收应用动态热条件下电负载匹配的重要性。同样的，[16]讨论了由于对通用低温热电发电系统变化的热条件电气负载匹配的重要性。这需要在该工作条件变化很大，例如汽车排气恢复应用或太阳能收集装置中的应用，需要一个不同的电负载电阻根据以努力最大化热电功率输出中的热条件的波动移位。在电气负载电阻时的温度条件的变化归因于电负载匹配与发电机的内部电阻是必要的和为最大功率点跟踪（MPPT）被称为调整。事实上，通过使用Bi2Te3模块低品位热能从液态金属到电力转换和由两个不同的负载下进行同样的试验，[17]所示，该电负载影响中的温差发电输出电压。这意味着存在一个最佳的负载电阻。然而，在不同的温度条件，[17]没有调整峰值功率生产的电力负荷，因而不检查一个变电器负荷的影响。
本研究的目的是通过评估功率与相对于它的热工水力电气性能的新型液-液热电发电机的电负载响应于向MPPT系统的发展。为此，对于在热电功率输出增加的负载电阻的效果的实验表征一个可靠的测试设施被建立。在一系列四十热电模块的温度梯度通过的热水和冷水的流动产生的。特别是，这项研究显示，增加的负载电阻下，改变热输入条件对最佳电负载电阻可忽略不计的影响，记为RL,opt,输出功率。其次，相关性被开发了与发电机的峰值热电功率输出到热输入条件; 相关说明相对于相应功能的行为温根峰值功率显示指数的行为流速。第三，它表明，热电功率是电负载误差较不敏感，当负荷比最佳，而不是低于最佳更大。最后，目前的工作表明，RL,opt用于热电生产的电负载电阻增加下是严格比生成器，用于测试的所有热输入条件的内部电阻更小。
2.热电势
本研究的焦点是发电机热电功率产生与负载电阻增加的关系。热电功率及其负载之间的关系是在[18][19]中得以详细说明，其中的热电模块由数量为N的热电偶组成，如在 图1所示。
图1. 通过热电偶串联和热并联实现热电发电
假设恒定的，各向同性的材料属性和互连材料的塞贝克系数为零，根据具有边界条件的一维热传导方程T(x = 0) = TC和 T(x = L) = TH
推导出的温度特征方程：
方程（1）
其中，热端和冷端温度分别记为TH和TC ，Delta;T=TH-TC，其中I是电流，储能在热电偶热端，x=l，要求该热通量“输入”等于热流“输出”加上由塞贝克效应吸收的能量：
方程（ 2 ）
qh=qout-Iap,nTH
在公式(2)中 ，alpha; p，n = alpha; p - alpha; n的塞贝克系数在P型和N型半导体粒料中不同。
结合方程（1）及（2）以传导的傅立叶定律,在x=l下，得到以下能量平衡：
方程式（ 3 ）
类似地，在x = 0时，冷侧热通量为：
方程式（ 4 ）
N个热电偶中由每个单个模块的功率的的热通量差得到的总和为：
方程式（ 5 ）
由2 Nrho;L / A表示热电偶电阻的总和，记内阻为R INT，方程（5）可化为：
方程（ 6 ）
求解等式（6）中的非零电流 ，与式等式（5）合并，推导出输出功率和温差及不同负载的关系式：
方程式（ 7 ）
由上述方程的分析易知，当施加在系统上的负载电阻等于发电机的内部电阻时可实现输出功率的最大化；也就是说，当内阻和负载电阻相同时，可以获得最大峰值输出功率：
方程（ 8 ）
这一结果得到的峰值功率
方程（ 9 ）
常被用于热电发电峰值功率的建模，如在Eakburanawat和Boonyaroonate研究的动态热条件时，在增加负载电阻的环境下匹配峰值热电功率的有效负载进行了研究。
3.实验装置
实验试验台内置为了测量热电模块的输出功率与电负载电阻增加。该试验台供应热量由窜是电串联，同时从用冷水模块层的外侧拉伸热量带走热电模块的两层之间的热水。
试验台的核心件是两个由20个在市面上可获取的Bi2Te3热电模块TEG2-07025HT-SS置于热流体流动通道的任一侧组成的发电机构成。两冷流体流动通道封闭系统散热由此稳定整个模块的温度梯度。最终得到由Thermal Electronics Corp装配的铝包裹热电液-液发电机，如图（2）所示
图.2铝包裹热电液-液发电机。
以这种方式，与冷温度场中的热点温度场的对比度产生被称为塞贝克效应的热电电流。的热电模块是由一个组合的p - n结是电串联由于交替n型和p型的Bi2Te3半导体粒料。模块装配在适当位置与陶瓷保持，是热并联并测量40毫米times;40毫米times;3.75毫米。
发电机，其中，模块9.07厘米times;1.73厘米包裹措施47.22厘米。热和冷流体流管具有9.52毫米的内径和12.70毫米的外径和使用水作为工作流体。发电机的热水管连接到MicroTherm CMX Series温度控制系统这是一种由泵和加热闭环构成的系统。热电偶温度传感器被定位在每个流体的入口和出口。压力表被放置在热流体流的入口和出口。流体温度，流体压力，电负载电阻和电压的数据采访都与其中传感器读数经由接口科学工作室750。一种碳线变阻器用手动光标中继到计算机DataStudio软件执行用来改变电负载电阻从0到40Omega;。流turbulating刀片被放置在所有的流体流动通道中，以提高热电材料和水之间的热传输的努力。事实上，[21]确定在先前的研究，所述流动turbulating刀片具有交替的标签上9毫米times;0.5毫米垫片每7.9毫米大大提高在大范围的温度条件功率输出。实验装置的控 制系统示于图（3）。需要注意的是在热和冷流体流动通道是在相对 的方向是很重要的。这是值得注意的，因为它也是常见-在努力提高热电材料的使用量-堆叠模块在许多层作为被完成[22] 。然而，这导致交替平行和打击从本工作的试验台机械的不同冷热流体流动通道。在本研究中，平行流为了有利于均匀的温度梯度，发电机的长度被有意避免。
图.3热电液-液发电机实验装置示意图。
通过BK Precision 出品的388-B 0.8％精度数字万用表测量出图（3）中RB，R1和R2分别为1.0Omega;，39.0KOmega;和14.8kOmega;。横跨在TEG的电压是使用分压器设置测量的：
方程（ 10 ）
热电势，记为P，是通过测量计算V A和V B，并合并，这样的测量的电阻如下：
方程（ 11 ）
同样地，电气负载电阻为：
方程（ 12 ）
电压V A和V B使用Science Workshop Interface出品的接口plusmn;10 mV至plusmn;3 mV的精度设备分别检测。在这项研究中，热电功率输出读数和电负载电阻读数计算各自具有3.7％对于所有测试的热输入条件的最大的不确定性。
4.结果与讨论
下面的测试例表征在热电生产的液体-液体发生器用于改变热输入条件的电负载电阻增加的效果。特别注意的是放置在产生峰值功率电机负载电阻，记为RL,opt因此，目前的研究集中在该热条件对影响RL,opt在可变电气负载电阻下。为了鉴定相对于电负载峰值功率，功率输出是由指定的测试案例，使得最大功率输出恒定：方程（ 13 ）
以这种方式，对每个测试例的归一化功率输出曲线的最大点达到统一和最佳电负载很容易进行比较。
为了研究的可变电力负载下的热电效应，第四模块液 - 液热电发电机的功率输出不同的热输入条件下进行测定。这些条件有三种方式改变：首先，通过改变热流体和冷流体之间的温度差; 其次，通过改变热流体的流量; 第三，通过改变冷的流体的流速。
4.1 因温度而引起的热输入变化
在第一组实验中，通过改变热入口温度检查在热条件的变化的影响。对热和冷侧上的流率保持在4.37升/分钟和5.00升/分钟分别冷流体入口温度保持21.1和23.9℃之间，并且热流体入口温度从30.6提高到79.4℃的。电负载电阻在6.9plusmn;2.1Omega;/ s的速率增加。每个测试用例产生热源和热沉之间的温度差，并通过在平均冷侧温度的差，并且平均热侧温度，得方程（ 14 ）：
要注意，在整个嵌入在发电机的实际模块的温度差严格小于Delta;Tavg由于强制对流的热电阻和界面材料。
在流体流动入口和出口的每个的这一部分的测试用例的温度读数中给出表1中。
表格1.
出入口测量温度结果
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|
Delta;Tavg |
8.6℃， |
16.4℃， |
25.3℃， |
33.0℃， |
50.3℃， |
|
TH,in (°C) |
30.6 |
40.6 |
48.9 |
59.4 |
79.4 |
|
TH,out（°C） |
29.4 |
40.0 |
46.7 |
58.3 |
75.0 |
|
TC,in（℃） |
21.1 |
22.8 |
21.1 |
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