李 杰，崔佩霖，张振华，张小勇

（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

生物质能源是主要的可再生能源之一，其利用比例在能源结构中逐年上升，燃烧是其主要的利用途径。近几年，国家通过退耕还林、新农村建设等政策大力推进生物质直燃炉的应用，因此，加大力度推广生物质能源产业的发展已成为一种趋势。

生物质燃烧技术在大型机组中的应用基本成熟，但在小型直燃炉的利用上存在燃烧不充分、污染物生成难以控制、火力不易调控、排烟温度较高等诸多问题。因此，将温差发电技术与可控送风技术相结合，设计一种基于温差发电技术的含储能和自供电送风装置的生物质直燃炉具有重要意义。

1 系统构成

如图1所示，生物质直燃炉由炉子本体、温差发电装置、储能装置、送风装置4部分组成。炉子本体是典型的生物质直燃炉结构；温差发电装置被布置在烟囱外表面，利用烟气余热进行热电转换，并将产生的电能储存在储能装置中；送风装置的电能由储能装置提供，空气通过管道送到炉膛中部，以二次风[1]的形式参与燃烧。

图1 生物质直燃炉系统

生物质燃料在炉膛内燃烧，释放热量，被有效利用的烟气通过烟囱排出，由于烟囱壁温较高，温差发电片布置在烟囱壁上利用塞贝克效应[2]实现热电转换。储能装置储存温差发电片转换的电能，对外输出标准电压的直流电供给送风装置和小型电子设备使用。送风装置由2个小风机构成，其输送的空气通过温差发电片冷端散热装置，使得温差发电片冷热端温差增大，以提高热电转换效率，同时提高空气温度，实现改善燃烧状况和燃烧调控的功能。

2 系统主要功能

2.1 温差发电装置

温差发电装置如图2所示，在距烟囱底部300 mm（铁板中心与烟囱底部的距离）的位置布置4块铁板，通过铁板中心，用螺母将其固定在烟囱壁上，由于温差发电片不可变形，不能直接安装在烟囱上，铁板充当热源载体。用4块铁板围成正方形，安装在烟囱上，恰好使烟囱成为正方形的内切圆，其目的是使结构紧凑，并且为风道布置提供基础。在正方形铁板与圆形烟囱构成的空隙中填充可塑性强、导热系数较大、耐高温的导热硅胶泥，目的是使热量快速从烟囱传递到铁板上，并使铁板表面温度均匀。在距烟囱底部400 mm的位置也同样布置这样的铁板和导热硅胶泥。

每块铁板上布置2片40 mm×40 mm×3.3 mm的温差发电片，用导热贴将温差发电片的热端与铁板黏合在一起，即铁板温度就是温差发电片的热端温度。每片温差发电片均有电流输入线和电流输出线。用导热贴将温差发电片的冷端与铝质散热片黏合在一起，即散热片温度就是温差发电片的冷端温度。每两片温差发电片装有一个铝质散热片。散热片可以使温差发电片冷热端温差增大，进而增大发电量。

图2 温差发电单元组合示意图

2.2 送风装置

如图3所示，使用具有良好黏性、可塑性和耐高温的铝箔胶带布置风道，4块散热片构成一个风道，共构成2个风道。风道截面为梯形，以保证流通阻力最小。每个风道安装一台轴流式风机，对散热片进行风冷处理，进一步增大冷热端温差，使发电量大大提高。如图4所示，在风机出口安装一个渐缩喷嘴，提高冷流体进入风道的流速，带走更多的热量，加强换热，渐缩喷嘴的出口接有管径为24 mm的风管，最后接入风道；选用风管的原因则是其耐高温、可塑性强、便于安装。风道出口通过风管送入炉膛，实现对炉膛可控供风。将冷空气先通过风道，带走一部分热量，再将其送入炉膛，可以提高送风初温，稳定燃烧，减少污染物的排放。

图3 风道示意图

2.3 储能装置

如图5所示，将16片温差发电片进行串并联组合连接，8片串联为一组，再将2组进行并联。这种连接方式既可满足储能装置对充电电压和电流的最低要求，又可实现操作、安装的便捷。

将温差发电组接入LM2596稳压模块，其量程为0～40 V，将输出电压设定为5 V，以适应蓄电池的额定输入电压，其具有过热保护和短路保护功能。稳压模块的引出线与蓄电池连接，对蓄电池进行充电，储能装置具有双USB接口，可供风机正常运转，也可供手机等移动设备充电使用。

图4 渐缩喷嘴及管道连接

图5 温差发电片串并联的连接方式

3 关键技术设计

3.1 风道设计

如图3所示，构造2种不同形状的风道，图（a）为梯形风道，图（b）为矩形风道。使梯形下底长为45 mm，上底长为20 mm，腰为20 mm，矩形的长为45 mm，宽为11.28 mm，则它们的通流面积保持一致，均为507.6 mm2（不包括散热片的通流面积）。设置实验比较2种不同形状的风道对风道出口风速的影响，保证2种形状风道的入口流速相同，测出不同形状风道出口风速的数值，测得的结果见表1.风道入口流量一样，通流面积也一样，则保证流体流量一样，出口流速越大，则说明其带走的热量越多。由表1所示，梯形风道的出口平均风速大于矩形风道的出口平均风速，因此，梯形风道所带走的热量更多，对散热片的冷却效果更好，进而使温差发电片冷端的温度更低，在热端温度基本不变的情况下，冷热端温差更大，所发电量更多。这与马力辉等人[3]在《极板快速干燥机风道流场的数值模拟和优化》中的研究成果相似。因此，在保证其他条件不变的情况下，选用梯形风道更为合适。

表1 2种形状风道的出口风速

3.2 送风设计

送风装置的设计同时兼顾冷却温差发电片冷端散热装置和提高二次风初温。鼓风机的动力来自于储能装置。鼓风机将冷风送到梯形风道入口，冷风经过梯形风道，使散热片冷端温度降低，进而使温差发电片冷热端温差加大，提高发电量。此外，冷风从风道中带走热量，在风道出口会得到较高温度的热风，热风又通过风管为炉膛供风，实现对炉膛的燃烧调控。生物质炉膛燃烧的污染物控制主要靠二次风，二次风送入炉膛实现分级送风。

4 结论

以生物质直燃炉为对象，设计了一套生物质直燃炉温差发电系统，并对温差发电装置、储能装置、送风装置结构设计进行了概述。

本装置主要优点体现在以下3个方面：①生物质直燃炉可实现自供电强制鼓风。②整套系统带有储能装置，既可满足鼓风机用电需求，又可向外供给电子设备使用。③送风系统可实现直燃炉燃烧功率的灵活性。鼓风装置将冷风送入温差发电装置冷端后，可降低冷端温度、提高温差，提高发电功率；同时从温差发电装置风道出来的二次风风温得到提高，送入炉膛可实现炉膛稳定燃烧、降低污染物排放量。