便携式热电联产系统实现农业残余物同步供热与发电

《Materials Today Communications》：Thermoelectric cogeneration of heat and electricity from agricultural residues

　　

研制了一种便携式热电联产系统（portable thermoelectric cogeneration system）；以小麦残渣（wheat residue）为燃料，示范了热与电的同时生产；代表性热电模块（representative thermoelectric module）在两次燃烧试验中保持其电性能（electrical performance）；该系统显示出利用农业残余物（agricultural residues）进行分布式供热与供电（distributed heat and power production）的潜力。

研究背景与问题：生物质燃料包括木质材料和农业残余物，被视为可持续能源资源，可减少对化石燃料的依赖，尤其适合强调直接热能利用的场景。农业残余物全球供能潜力估计到2050年可达206 EJ，相当于约5300 GL重油；若完全替代等效重油，理论上可避免约14.6 Gt化石CO₂排放。尽管已有将生物质转化为材料、燃料以及供热和发电的研究，农业生物质仍未作为能源燃料广泛利用，主要受作物类型导致的时间与空间变异、供应不稳定、堆积密度低、运输和收集效率差等限制，难以大规模集中利用。小型联合供热与发电（combined heat and power, CHP）及可移动微型热电联产系统有望在本地分布式利用生物质，适应冬季供暖和干燥污泥、堆肥、食品加工工艺热等需求。传统涡轮和朗肯循环在小规模下复杂、维护要求高且效率降低；斯特林发动机和利用塞贝克效应（Seebeck effect，温差直接产生电动势）的热电转换受到关注。热电发电维护低、无运动部件，温度梯度存在时自发发电、温度降低时停止，但商用铋碲化物（Bi₂Te₃）模块耐热通常低于约200 °C，难以用于高温热交换联产；氧化物热电模块可在空气中高温运行，热侧达700 °C仍可工作，冷水侧沸腾时也可发电。然而，高温氧化物热电模块与多面蜂窝集热器在便携式生物质燃烧器中的集成研究不足，因此研究人员构建并评价此类联产单元，示范农业残余物燃烧同时生产电和热水。

2. Experimental method（关键技术方法，≤250字）：构建150 mm×150 mm×150 mm蜂窝结构钢（JIS SS400）集热器、12个氧化物热电模块和3个水套；集热器一面91个直径10 mm通孔，使模块可四面安装。模块用p型Ca_2.7Bi_0.3Co₄O₉（Co-349）和n型CaMn_0.98Mo_0.02O₃（Mn-113），每模块64对元件，经λ-gel绝缘导热片固定于Al合金水套，同面模块串联并分面测功率；单元装于生物质燃烧器与烟道间。燃料为小麦残渣，在wheat-drying facility干燥至水分约12%以下，平均供给约12 kg h^?1；燃烧器由Takeda Tekko Co., Ltd.（日本北海道）制造。设91孔全开与关闭26孔（65孔开）两条件；冷却水约180 L、6.2 L min^?1依次流经A–C。用K型热电偶测温，DC source meter扫负载测最大功率，并由水流量和温差评价Q_wat。

3. Results and discussion：在91孔全开和关闭26孔（65孔开）两种条件下燃烧小麦残渣，关闭孔区域呈暗色，表明排气未通过该区域。燃烧约4 h时，平均入口烟气温度约635 °C（91孔）和约820 °C（65孔）；较长燃烧后65孔条件最高约1070 °C，但差异不能仅归因于通道阻塞。由于研究为示范规模且未在相同操作条件下独立重复，两种构型差异应视为初步，不能结论性归因于孔阻塞；误差棒为各测量期标准差，而非重复实验变异。集热器温度随入口烟气温度升高而升高。冷却水温度随运行时间升高；65孔条件下出口水温约3 h后超过100 °C，可能发生水套沸腾，研究人员以较冷的水替换部分水箱水。总Q_wat与集热器温度呈线性关系；因燃烧气质量流量和热物性未充分表征，显热流不能可靠评价，热损失未量化，仅报告冷却水回收热，不构成封闭能量平衡（closed energy balance，输入燃料能量与各项输出和损失相平衡的核算）。在简化假设下，减少开孔可提高气速和换热系数，估算h₆₅/h₉₁约1.18–1.31，Q_wat比约1.31，定性一致，但不能建立Q_wat与h直接对应，差异不能具体归因于气速或孔阻塞。P_max随热侧与冷侧温差ΔT线性增加，且与孔阻塞无关；P_max为A–C子单元顺序测量最大输出之和，不是严格同时的系统功率。由P_max/(Q_wat+P_max)得表观热电转换比η_app最大0.78%；其高于同材料模块的最大功率输出时转换效率η_max，但热输入定义不同，不能直接比较；分母可能低估热输入而致η_app高估，故η_app为基于回收冷却水热的表观比，不是本征模块效率或燃料基系统效率。同一代表性模块在燃烧试验前后于600 °C热侧的P_max和电流–电压（I–V）斜率无明显变化，表明保持电性能；长期耐久性尚未在示范规模评价，但此前报道氧化物模块长期连续运行和重复热循环稳定。与先前采用Bi₂Te₃或PbTe模块的生物质燃烧热电研究相比，本系统热侧温度更高，顺序测量最大输出合计高于先前报道，但不能直接比较燃料基效率；级联不同温区热电模块可更有效利用温度梯度，回收热可供应沸水或过热蒸汽。蜂窝集热器使模块可四面安装，较翅片式两面安装更灵活。65孔条件下，12 V免维护铅酸电池经PWM（pulse width modulation，脉冲宽度调制）充电控制器间歇充电约2 h，储存电能经纯正弦波DC–AC逆变器（总谐波畸变THD<3%，效率达88%）驱动鼓风机约10 min，证明部分自供电潜力。

4. Outlook：未来需优化烟道结构、热回收配置、模块几何和不同热电模块的级联布置，以明确能否提高电与热输出并调控热电比；评估实际热平衡还需考虑烟道阻塞对炉壁热损失和鼓风机等辅助功耗的影响；发展目标是将热电输出提高到生物质燃烧器当前约1–2 kW电需求，以实现自供电运行。

5. Conclusions（研究结论翻译）：安装在小麦残渣燃料生物质燃烧器烟道中的热电联产单元同时产生了热和电。虽然减少开放通孔数量与热性能和电性能改善相关，但仍需受控重复试验确认该效应。子单元A–C顺序测量的最大输出合计为63 W，基于回收冷却水热量的最大表观热电转换比为0.78%；这些数值不代表同时系统输出或总体燃料基效率。通过增加高温热回收以及级联适配不同温度范围的热电材料，可能实现进一步改进。结果表明，便携式热电联产在农业残余物的本地利用方面具有潜力，特别是在需要分布式供热和供电的场合。