李 杰，崔佩霖，張振華，張小勇

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

生物質(zhì)能源是主要的可再生能源之一，其利用比例在能源結(jié)構(gòu)中逐年上升，燃燒是其主要的利用途徑。近幾年，國家通過退耕還林、新農(nóng)村建設等政策大力推進生物質(zhì)直燃爐的應用，因此，加大力度推廣生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已成為一種趨勢。

生物質(zhì)燃燒技術(shù)在大型機組中的應用基本成熟，但在小型直燃爐的利用上存在燃燒不充分、污染物生成難以控制、火力不易調(diào)控、排煙溫度較高等諸多問題。因此，將溫差發(fā)電技術(shù)與可控送風技術(shù)相結(jié)合，設計一種基于溫差發(fā)電技術(shù)的含儲能和自供電送風裝置的生物質(zhì)直燃爐具有重要意義。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，生物質(zhì)直燃爐由爐子本體、溫差發(fā)電裝置、儲能裝置、送風裝置4部分組成。爐子本體是典型的生物質(zhì)直燃爐結(jié)構(gòu)；溫差發(fā)電裝置被布置在煙囪外表面，利用煙氣余熱進行熱電轉(zhuǎn)換，并將產(chǎn)生的電能儲存在儲能裝置中；送風裝置的電能由儲能裝置提供，空氣通過管道送到爐膛中部，以二次風[1]的形式參與燃燒。

圖1 生物質(zhì)直燃爐系統(tǒng)

生物質(zhì)燃料在爐膛內(nèi)燃燒，釋放熱量，被有效利用的煙氣通過煙囪排出，由于煙囪壁溫較高，溫差發(fā)電片布置在煙囪壁上利用塞貝克效應[2]實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。儲能裝置儲存溫差發(fā)電片轉(zhuǎn)換的電能，對外輸出標準電壓的直流電供給送風裝置和小型電子設備使用。送風裝置由2個小風機構(gòu)成，其輸送的空氣通過溫差發(fā)電片冷端散熱裝置，使得溫差發(fā)電片冷熱端溫差增大，以提高熱電轉(zhuǎn)換效率，同時提高空氣溫度，實現(xiàn)改善燃燒狀況和燃燒調(diào)控的功能。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 溫差發(fā)電裝置

溫差發(fā)電裝置如圖2所示，在距煙囪底部300 mm（鐵板中心與煙囪底部的距離）的位置布置4塊鐵板，通過鐵板中心，用螺母將其固定在煙囪壁上，由于溫差發(fā)電片不可變形，不能直接安裝在煙囪上，鐵板充當熱源載體。用4塊鐵板圍成正方形，安裝在煙囪上，恰好使煙囪成為正方形的內(nèi)切圓，其目的是使結(jié)構(gòu)緊湊，并且為風道布置提供基礎。在正方形鐵板與圓形煙囪構(gòu)成的空隙中填充可塑性強、導熱系數(shù)較大、耐高溫的導熱硅膠泥，目的是使熱量快速從煙囪傳遞到鐵板上，并使鐵板表面溫度均勻。在距煙囪底部400 mm的位置也同樣布置這樣的鐵板和導熱硅膠泥。

每塊鐵板上布置2片40 mm×40 mm×3.3 mm的溫差發(fā)電片，用導熱貼將溫差發(fā)電片的熱端與鐵板黏合在一起，即鐵板溫度就是溫差發(fā)電片的熱端溫度。每片溫差發(fā)電片均有電流輸入線和電流輸出線。用導熱貼將溫差發(fā)電片的冷端與鋁質(zhì)散熱片黏合在一起，即散熱片溫度就是溫差發(fā)電片的冷端溫度。每兩片溫差發(fā)電片裝有一個鋁質(zhì)散熱片。散熱片可以使溫差發(fā)電片冷熱端溫差增大，進而增大發(fā)電量。

圖2 溫差發(fā)電單元組合示意圖

2.2 送風裝置

如圖3所示，使用具有良好黏性、可塑性和耐高溫的鋁箔膠帶布置風道，4塊散熱片構(gòu)成一個風道，共構(gòu)成2個風道。風道截面為梯形，以保證流通阻力最小。每個風道安裝一臺軸流式風機，對散熱片進行風冷處理，進一步增大冷熱端溫差，使發(fā)電量大大提高。如圖4所示，在風機出口安裝一個漸縮噴嘴，提高冷流體進入風道的流速，帶走更多的熱量，加強換熱，漸縮噴嘴的出口接有管徑為24 mm的風管，最后接入風道；選用風管的原因則是其耐高溫、可塑性強、便于安裝。風道出口通過風管送入爐膛，實現(xiàn)對爐膛可控供風。將冷空氣先通過風道，帶走一部分熱量，再將其送入爐膛，可以提高送風初溫，穩(wěn)定燃燒，減少污染物的排放。

圖3 風道示意圖

2.3 儲能裝置

如圖5所示，將16片溫差發(fā)電片進行串并聯(lián)組合連接，8片串聯(lián)為一組，再將2組進行并聯(lián)。這種連接方式既可滿足儲能裝置對充電電壓和電流的最低要求，又可實現(xiàn)操作、安裝的便捷。

將溫差發(fā)電組接入LM2596穩(wěn)壓模塊，其量程為0～40 V，將輸出電壓設定為5 V，以適應蓄電池的額定輸入電壓，其具有過熱保護和短路保護功能。穩(wěn)壓模塊的引出線與蓄電池連接，對蓄電池進行充電，儲能裝置具有雙USB接口，可供風機正常運轉(zhuǎn)，也可供手機等移動設備充電使用。

圖4 漸縮噴嘴及管道連接

圖5 溫差發(fā)電片串并聯(lián)的連接方式

3 關鍵技術(shù)設計

3.1 風道設計

如圖3所示，構(gòu)造2種不同形狀的風道，圖（a）為梯形風道，圖（b）為矩形風道。使梯形下底長為45 mm，上底長為20 mm，腰為20 mm，矩形的長為45 mm，寬為11.28 mm，則它們的通流面積保持一致，均為507.6 mm2（不包括散熱片的通流面積）。設置實驗比較2種不同形狀的風道對風道出口風速的影響，保證2種形狀風道的入口流速相同，測出不同形狀風道出口風速的數(shù)值，測得的結(jié)果見表1.風道入口流量一樣，通流面積也一樣，則保證流體流量一樣，出口流速越大，則說明其帶走的熱量越多。由表1所示，梯形風道的出口平均風速大于矩形風道的出口平均風速，因此，梯形風道所帶走的熱量更多，對散熱片的冷卻效果更好，進而使溫差發(fā)電片冷端的溫度更低，在熱端溫度基本不變的情況下，冷熱端溫差更大，所發(fā)電量更多。這與馬力輝等人[3]在《極板快速干燥機風道流場的數(shù)值模擬和優(yōu)化》中的研究成果相似。因此，在保證其他條件不變的情況下，選用梯形風道更為合適。

表1 2種形狀風道的出口風速

3.2 送風設計

送風裝置的設計同時兼顧冷卻溫差發(fā)電片冷端散熱裝置和提高二次風初溫。鼓風機的動力來自于儲能裝置。鼓風機將冷風送到梯形風道入口，冷風經(jīng)過梯形風道，使散熱片冷端溫度降低，進而使溫差發(fā)電片冷熱端溫差加大，提高發(fā)電量。此外，冷風從風道中帶走熱量，在風道出口會得到較高溫度的熱風，熱風又通過風管為爐膛供風，實現(xiàn)對爐膛的燃燒調(diào)控。生物質(zhì)爐膛燃燒的污染物控制主要靠二次風，二次風送入爐膛實現(xiàn)分級送風。

4 結(jié)論

以生物質(zhì)直燃爐為對象，設計了一套生物質(zhì)直燃爐溫差發(fā)電系統(tǒng)，并對溫差發(fā)電裝置、儲能裝置、送風裝置結(jié)構(gòu)設計進行了概述。

本裝置主要優(yōu)點體現(xiàn)在以下3個方面：①生物質(zhì)直燃爐可實現(xiàn)自供電強制鼓風。②整套系統(tǒng)帶有儲能裝置，既可滿足鼓風機用電需求，又可向外供給電子設備使用。③送風系統(tǒng)可實現(xiàn)直燃爐燃燒功率的靈活性。鼓風裝置將冷風送入溫差發(fā)電裝置冷端后，可降低冷端溫度、提高溫差，提高發(fā)電功率；同時從溫差發(fā)電裝置風道出來的二次風風溫得到提高，送入爐膛可實現(xiàn)爐膛穩(wěn)定燃燒、降低污染物排放量。