面向中低温地热资源的模块化热伏发电系统设计及性能分析

System design and performance analysis of a modular thermoelectric generator for low- and medium-temperature geothermal resource

摘要

地热能具有绿色清洁、稳定可靠的优势,具备大比例接替传统化石能源的潜力。我国地热资源储量丰富,分布广泛,但地热发电利用远落后于世界先进水平。热伏发电技术在中低温地热开发与利用方面具有较高的应用潜能和价值,但其规模化应用仍极具挑战。采用模块化设计提升热伏发电机装机容量是切实可行的。本文提出了一种镜像布置的模块化热伏发电机设计方案,可依据不同的热源形式,灵活调整发电单元数量;换热器采用紧凑式设计,有助于提升系统的体积功率密度。团队据此设计研制了热伏发电样机,并在深圳大学中低温地热热伏发电系统测试平台上对其性能进行了综合测试。结果表明,在冷却水流量3.3 m³/h、温度20 ℃和加热功率9 kW运行条件下,热伏发电机最大输出功率达到了136.5 W,体积功率密度可达26.9 kW/m³,系统发电效率能够达到理论最大热电转换效率的82.5%。鉴于目前热电模块的热电优值(ZT)仅约为0.5,若ZT值达到1~2,在同等条件下,热伏发电机最大输出功率可达1.69~2.63 kW,体积功率密度可达338.3~518.8 kW/m³,最大热电转换效率为10.5%,可达理论最大转换效率的92.8%。此时,本文提出的热伏发电机模块化设计方案将更具推广应用价值。

关键词

热伏发电机 / 模块化 / 中低温 / 地热资源 / 体积功率密度

Key words

thermovoltaic generator / modularization / low-medium temperature / geothermal resource / volumetric power density

0 引言

近年来,全球气候变暖已经从一个科学问题,逐渐成为全球共同关注的重要社会问题。化石能源过度使用造成温室气体的大量排放,是导致全球气候变暖和大气环境污染的主要原因之一^[1⇓-3]。2016年9月,中国宣布加入《巴黎协定》(The Paris Agreement),并承诺在2030年实现“碳达峰”,2060年达到“碳中和”^[4]。为实现这一宏伟目标,除了加速推动风、光等可再生能源的研究与应用^[5]外,大力发展地热能等中低温热源的回收与利用技术,提高能源使用效率,也是我国构建新型能源结构、实现可持续发展的有效途径之一^{[6⇓⇓⇓-10]}。

中低温热源范畴广泛,我国包括地热能、太阳能、海洋能和工业余热在内的中低温热能年可利用资源总量约为1.06×10¹¹ TJ(折合3.62万亿吨标准煤)^[11]。受到低品位热利用技术瓶颈限制,目前我国中低温热能资源利用量仅占能源总利用量的3%左右,合理利用这部分热能资源对节能减排和实现“双碳”目标具有重大意义^[12]。中低温热能资源可广泛应用于供暖、制冷和发电等多种用途,由于热能资源难以实现长距离传输,将部分热能转化成电能送入电网,是其更高效的应用途径之一^{[13⇓⇓⇓-17]}。作为五大非碳基能源之一,地热能具有分布广泛、储量丰富、环境友好等诸多优势,具备大比例接替传统化石能源的潜力^[18⇓-20]。国际上,我国地热直接利用装机容量位列世界首位,但地热发电规模大幅落后于世界先进水平^[21-22]。在国内,地热发电的总装机容量也远低于其他新能源发电技术(如风电、光电等)^[23]。究其根本,地热发电技术和装备的落后,是我国地热发电规模小、发展慢的主要原因^[24⇓-26]。

传统的中低温地热发电技术以闪蒸和二元循环为主^[27]。闪蒸发电技术与水热型地热资源相适配,但由于地热流体成分较为复杂,发电系统及其管线面临着严重的腐蚀和结垢问题^[28-29]。二元循环主要包括有机朗肯循环和卡琳娜循环两种形式,根据地热出水温度选取合适的循环工质是二元循环发电系统的关键^[30]。然而有机工质或氨水混合物泄漏造成的环境污染问题仍不容忽视^[31]。鉴于传统发电技术面临诸多问题,谢和平院士提出了中低温地热热伏发电原理与技术构想^[32⇓-34]。该技术具备热电直接转换、无运动部件、运行简单、体积小、生态环境影响小等独特优势^[35]。此外,传统地热电站失效的主要原因之一是地热储层温度衰减,造成与发电机设计参数不匹配。而热伏发电技术受热源温度衰减的影响较小,只要发电机冷热两端存在温度梯度即可发电。热伏发电技术高紧凑度、装配灵活性和可靠性使其在中低温地热发电领域具有较大应用潜力^[36]。研发中低温地热热伏发电技术及其规模化热伏发电装置,对推动我国中低温地热资源的开发和利用具有重大意义^[37]。

中低温地热热伏发电的规模化应用目前面临研发周期长、开发难度大等技术挑战。除了高性能热电材料的研发,热伏发电系统的研究主要集中在高效换热结构设计的优化与改进^[38]方面。为实现中低温地热规模化开发利用,本文提出了一种可模块化组装的紧凑式热伏发电机设计方案,研制了实验测试样机,并在深圳大学中低温地热热伏发电综合测试平台对样机性能进行了初步测试,基于测试结果对热伏发电样机的整体性能进行了分析与评价。

1 热电直接转换技术原理

热电材料的塞贝克(Seebeck)效应能够实现由热能到电能的直接转换。其原理为:金属或半导体材料内部的载流子在温度梯度驱动下由高温端向低温端定向移动,形成热电势。受到材料自身性质的影响,不同类型导体材料的热电势存在一定差异。两种不同金属或半导体材料组成的回路,当两结点之间存在温差时,回路中就会产生电流,如图1所示^[39]。

衡量热伏发电机性能最重要的指标是发电功率(P_TEG)和热电转换效率(η_TEG),二者计算方法为

(1) P_TEG=I²R_L=Q_in-Q_out

(2)η_TEG= \frac{P_{TEG}}{Q_{in}}

式中:I为回路中产生的电流,A;R_L为负载电阻,Ω;Q_in和Q_out分别表示热电模块(TEM)在热端吸收和冷端放出的热量,W。热伏发电的理论最大热电转换效率(η_max)可由下式计算得出:

(3)η_max= \frac{T_h-T_c}{T_h} \frac{\sqrt[ ]{1+ZT}-1}{\sqrt[ ]{1+\mathrm{Z}\mathrm{T}}+T_c/T_h}

式中:T_c和T_h分别为热电器件冷、热两端的温度,K;ZT为表征材料热电转换性能的无量纲参数,由热电材料本身性能所决定,其表达式为

(4)ZT= \frac{S^2\sigma }{\kappa }T

式中:S为热电材料的塞贝克系数,V/K;σ为电导率,S/m;κ为导热系数,W/(m·K)。相应的理论最大输出功率(P_max)可表示为

(5)P_max= \frac{{\left(S\Delta T\right)}^2}{4R_{TEM}}

式中:ΔT为热电模块冷、热两端的温差;R_TEM为热电模块内阻。此外,除P_max和η_max外,还可通过相对发电效率和体积功率密度衡量热伏发电机的输出性能和紧凑性,其表达式分别为

(6)η_ratio= \frac{{\eta }_{TEG}}{{\eta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}×100%

(7)P_V= \frac{P_{TEG}}{V_{HE}}

式中:P_V表示热伏发电机的体积功率密度,kW/m³;V_HE为换热结构的体积,m³。

2 模块化热伏发电机及测试系统

2.1 模块化热伏发电机设计方案

当前,商用热伏发电装置普遍发电规模小,需求热源温度高,适用性差。由于热电材料本身ZT值较低,热伏发电技术的规模化应用需要大量的热电模块来提供足够的发电能力。因此,热伏发电机的结构设计、模块布局和系统集成等方面仍存在较大的优化改进空间。

针对这一技术难题,本文提出了一种模块化热伏发电系统的设计方案。如图2所示,模块化热伏发电系统运行原理为:热能从中低温热源输送至热伏发电机的热端,热量通过热端换热器向冷端传递,冷、热端换热器之间布置的热电器件将其中一部分热量直接转化为电能,剩余热量被冷却水带走。模块化热伏发电系统的关键在于冷端换热器的设计,每两个冷端换热器对称布置在热端换热器两侧,热电模块布置在冷、热端换热器之间,形成一个模块化的热伏发电单元。对称布置的两个冷端换热器同时作为夹紧压板,可减少系统热量损失,降低系统复杂性。具体来说,该设计优势在于:(1)可扩展性强,实际运用中可根据需求灵活调整发电单元数量,适用于不同规模热源的应用场景;(2)用热效能高,通过调整发电单元的数量,可充分高效地利用热能资源,从而提高用热效率;(3)运行维护简单,模块化设计简化了系统的运维管理模式,发生故障时,仅需对损坏发电单元进行更换,无需停机即可完成系统维护;(4)可靠性高,当某发电单元发生故障时,其余发电单元仍可正常工作,确保系统整体稳定性和可靠性。

2.2 热伏发电机实验测试系统

为验证模块化热伏发电机的可行性,团队研制了测试样机,并在深圳大学中低温地热热伏发电实验测试平台进行了性能测试。实验测试系统示意图如图3所示。热伏发电机主体包括1块电加热板、24个冷端热沉和96个热电模块,每个冷端热沉与加热铜板间夹入4个串联的热电模块,两个对称的冷端热沉通过螺栓固定,组成一个发电单元。测试系统热端采用铜制电加热板模拟不同规模的中低温热源,冷端采用纯净水作为冷却工质。采用三相变频电源(深圳市统源科技有限公司,TY-8330)为铜制电加热板供电并实现功率调节。冷端热沉材质为铝合金6061,所有冷端热沉紧密布置在电加热板两侧,用紧固螺栓将热沉、电加热板和中间的热电模块夹紧后,形成一个整体。采用两组分、集水器连接冷却机组和热伏发电机,为系统提供温度和流量可调的循环冷却水。热电模块(TEG1-19913)主体为碲化铋基合金(Bi₂Te₃),每个模块内包含199对PN结,通过铜电极串联布置在两块绝缘陶瓷基板之间。单个热电模块尺寸为50 mm×50 mm×4.2 mm,实测其等效ZT值约为0.5(热端温度100 ℃,温差65 ℃)^[40]。综合考虑系统的功率损失和安全因素,96个热电模块采用16串6并的电连接方式。外部负载采用直流电子负载(深圳市费思科技有限公司,FT6213A)模拟和调节,测试数据由高速信号采集系统自动采集。

3 实验结果及讨论

3.1 模块化热伏发电机输出性能分析

实验过程中,综合考虑系统冷端运行压力和冷却功率需求,调节机组使冷却水流量固定为3.3 m³/h且水温设定为20 ℃。调节电源输出电压使铜板加热功率从1.8 kW逐渐升高到9 kW(每次增加1.8 kW)。在每个加热功率测试工况下,由高到低调节电子负载阻值,得到TEG系统的输出特性曲线,如图4所示。从热伏发电机U—I特性曲线(图4a)可以看出,系统输出电压和电流之间呈线性变化关系,且满足下式:

(8) U_L=-R_TEGI+E

式中:U_L表示输出(负载)电压;E代表热电模块的总温差电动势;R_TEG为系统内阻 ;I是回路中的电流。

由式(8)可知,U—I特性曲线斜率的绝对值即可表征热伏发电机总的内阻。图4b结果表明,外部负载电阻对TEG系统输出功率有显著影响,且随热量输入增大,TEG输出功率随负载电阻的变化幅度逐渐增加。当外部负载电阻逐渐增大时,TEG系统输出功率呈现先增大后减小的趋势,当外部负载电阻接近发电机内阻时,TEG输出功率到达峰值。到达峰值点后,随着外部负载电阻的进一步增加,系统输出功率开始下降。因此,实际应用中内外阻值的匹配是确保TEG以最大功率输出的关键。

图5给出了不同加热功率下,系统最大输出功率和对应测试工况TEG内阻与负载电阻的对比。在加热功率9 kW时,热伏发电样机最大输出功率为136.5 W,对应功率密度可达26.9 kW/m³。随加热功率定量增加,TEG输出功率不断提高且幅度也呈现不断增加的趋势。TEG内阻随系统热端温度的升高呈现缓慢增加的趋势,通过对比实际负载电阻与TEG内阻发现,二者的偏差在4%以内,进一步验证了实验测得数据的准确性。

图6给出了热伏发电测试样机的热电转换效率和相对发电效率。可以看出,TEG系统发电效率随着加热功率的增大而不断提高,且在不同热输入功率下,当前测试样机发电效率均能达到理论最大热电转换效率的80%以上,最高可达82.5%。换热器和热电模块表面的接触热阻是实际热电转换效率低于理论效率的主要原因之一,此外,在热端温度较高时,系统与环境的对流换热和热辐射将产生一定程度的热损失,从而导致发电效率降低。

3.2 模块化热伏发电机性能预测及展望

紧凑式热沉设计采用小尺寸接口增大了冷却管路流体运行压力。为避免工质泄漏,机组提供的冷却水流量范围受限,出于安全考虑,热端加热功率维持在较低范围。为预测更高加热功率下和采用高性能热电模块时模块化热伏发电机的输出性能,本文假设电加热板产生的电功率全部用于热电模块发电,剩余热量充分被冷却水吸收;性能提升的热电材料热导率和电导率不变,即热电模块的等效ZT值与其塞贝克系数变化成正比。结合式(3)~(5)首先预测了沿用当前热电模块(等效ZT值=0.5)时,TEG在更高加热功率下的最大输出性能。图7中黑色实心圆点为实验测试数据,红色圆点为预测数据,相同冷却条件下,当加热功率达到25 kW时,系统最大输出功率可超过1 kW,对应相对发电效率可达90%以上,体积功率密度可达200 kW/m³。曲线趋势表明实验结果和预测值吻合较好,验证了预测方法的准确性和可靠性。

随着高性能热电材料研究的快速发展,热电器件的等效ZT值有望达到1~2^[41⇓-43]。如图7,若采用高性能热电器件,同等运行条件下,当前模块化热伏发电样机的最大输出功率分别可达1.7和2.6 kW,对应体积功率密度分别能够达到338.6和518.8 kW/m³,发电效率最高可达理论最大值的92.8%,达到10.5%。可见,随着热电材料ZT值的进一步提高,本文提出的模块化热伏发电系统将具有更高的综合性能,在地热开发、中低温热源的回收与利用领域将更具推广优势。

4 结论

热伏发电技术在中低温地热开发领域具有较大应用潜力,但其规模化应用一直进展缓慢。当前,大规模热伏发电系统研发面临诸多难题,为推动中低温地热热伏发电技术规模化应用,本文提出了一种基于紧凑式换热器设计的模块化热伏发电机设计方案,自主研发了热伏发电样机并进行了实验测试。在冷却水流量3.3 m³/h、温度20 ℃和加热功率9 kW条件下,热伏发电样机最大输出功率可达136.5 W,对应功率密度为26.9 kW/m³,发电效率可达理论最大热电转换效率的82.5%。基于当前实验测试数据,当加热功率达到25 kW时,测试样机的最大发电功率可突破1 kW,对应体积功率密度可达200 kW/m³。

热电材料的研究日新月异,新材料领域的探索与热电耦合新理论的发展为高ZT值热电器件的制备奠定了坚实的基础。若商用热电模块的等效ZT值达到1~2,在同等测试条件下,当前模块化热伏发电样机最大输出功率可达1.7~2.6 kW,对应体积功率密度为338.6~518.8 kW/m³,最大发电效率可达理论值的92.8%,突破10%,更具备大规模推广应用的价值。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFB1507403)

深圳市高等院校稳定支持面上项目(20220810180129001)

国家自然科学基金项目(12075160)

自然资源部科技战略研究项目项目来源:中华人民共和国自然资源部(2023-ZL-40)

四川省自然科学基金项目(2022NSFSC0218)

深圳市基础研究面上项目(JCYJ20220531102012028)