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一、标题与基本信息

  • 论文题目：Development of a High-Capacity Portable Biomass-Combustion-Powered Thermoelectric Generator（一种大容量便携式生物质燃烧热电发电机的研制）

  • 期刊：Engineering, 2023

  • 研究方向：生物质燃烧热电发电（BCP-TEG）

专有名词

名词

缩写

翻译

biomass-combustion-powered

BCP

生物质燃烧动力(BCP)

thermoelectric generators

TEGs

热电发电机(TEG)

open-loop cooling

OLC

开环冷却

thermoelectric modules

TEMs

热电模块

combined heat and power

CHP

热电联产

二、研究背景与意义

全球仍有10亿人缺电，生物质是贫困地区主要能源。

这些装置利用塞贝克效应在生物质燃烧过程中将温差部分转化为电能。

对相关研究的综述表明，要开发一种独立、稳定、高容量和便携式的BCP-TEG，需要同时控制温度、效率和冷却方法。

目前还缺乏能够提供高达10W输出功率的独立、高容量和便携式BCP-TEG

生物质燃烧温度和TEM的工作温度之间的不匹配在增加BCP-TEG的电功率方面造成了相当大的困难

热电效率(TE)是指热能通过瞬变电场后转化为电能的比率，综合效率是指生物质化学能转化为电能的比率

以前的BCP-TEG研究尚未报告总有效率高达1%

效率受限的主要原因是集热效率低，因为烟气的流动阻力必须足够低，否则将严重影响生物质燃烧过程

设计合适的低流动阻力集热器以提高集热效率是开发大容量便携式BCP-TEG的关键

开发基于水闭环冷却(CLC)的BCP-TEGS的机会非常多,为了开发独立、大容量、便携式的BCPTEG，需要应用CLC方法。

250K的温差意味着热端温度(Th，K)应该高于523K，并且热电模块将经历老化问题

在开发稳定、高容量和便携式的BCP-TEG时，工作温度应保持在长期工作温度范围内-即必须控制特定类型的TEG的Ptot/N

三、研究目标

  • 1. 设计并测试一款7.6 kg便携式BCP-TEG。

  • 2. 实现高热电功率输出（>20 W） 和高热电联产效率（CHP）。

  • 3. 进行温度分布、功率特性、效率分析、野外测试等全面评估。

  • 4. 所开发的策略将热收集、热传播、热流匹配和CLC联系在一起，填补了增加便携式BCP-TEG容量的有效方法的知识空白。

四、系统设计与创新点

系统组成：

改进型“火箭式”生物质燃烧器

双热收集器（内置热扩散器）

6个热电模块（TEG1-12708, 40×40 mm）

水冷闭环冷却系统（CLC）

  • 1.基于生物质的热电发电机

  • 2.热电联产组件（水泵、膨胀容器、鼓风机、散热器、电源管理系统）

  • 3.生物质燃烧室

  • 4.集热器

  • 5.热电模块

  • 6.液冷散热片

主要创新点 ：新型集热器

一体化热收集器设计，由铝块使用计算机数控加工技术制造而成，减少接触热阻

实验设定

五、实验结果与性能指标

TEMs的工作温差在164 ~ 188 K之间

产生的电压随外部负载电阻的增加而增加，负载、电流则相反

负载电阻=14时，最大电功率为23.4 W，随外部负载增加，电功率先增加，达到最大值，然后随着外部负载的进一步增加，电功率下降

集热效率、TE效率、总效率和CHP效率分别为36.2%、2.87%、0.98%和32.3%

1. 温度分布：

  • 热端温度：503–523 K

  • 冷端温度：336–339 K

  • 温差：164–188 K

2. 发电性能：

  • 最大电功率：23.4 W

  • 净功率密度：2.41 W/kg（远高于以往研究）

  • 热电效率（η_TE）：2.87%

  • 总效率（η_overall）：0.98%

  • CHP效率：32.3%（供热750 W + 发电23.4 W）

3. 野外测试：

  • 燃烧1 kg木柴可充满一块3.7V 6.2Ah电池

  • 可满足智能手机（如iPhone 12 Pro）充电需求

六、讨论与对比分析

1. 冷却方式对比：

  • CLC（闭环水冷） > OLC（开环水冷） > 空冷

  • CLC虽增加组件（水泵、散热器），但净功率密度最高

2. 效率瓶颈：

  • 总效率仍低于1%，主要受限于热收集效率低（~36%）

  • 生物质燃烧烟气流速低、热收集与流动阻力难以兼顾

3. 热通量匹配：

  • 每个TEG的热通量需匹配其最大允许值（~150 W）

  • 本研究每个TEG热通量为136 W，接近最佳值

七、结论

  • 1. 成功开发出7.6 kg便携式BCP-TEG，发电23.4 W，供热750 W。

  • 2. CLC冷却系统显著提升功率密度和便携性。

  • 3. 热收集效率是提升总效率的关键，未来可考虑强制通风燃烧。

  • 4. 热通量匹配设计对释放TEG潜力至关重要。

八、未来展望

  • 提高热收集效率（如加装烟气热回收）

  • 优化燃烧控制（如强制送风）

  • 进一步轻量化与集成化

  • 拓展应用场景（如医疗设备、水泵供电）

九、Q&A 准备建议

  • 为什么总效率这么低？——生物质燃烧不完全、烟气热损失大。

  • CLC系统是否复杂？——虽复杂但必要，净功率密度高。

  • 是否可商业化？——目前仍处于实验室阶段，需进一步优化成本和可靠性。