ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МИКРОТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА С ИНТЕГРИРОВАННЫМ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ

INVESTIGATION OF NON-STATIONARY OPERATION MODES OF A MICROTERMOELECTRIC GENERATOR WITH INTEGRATED HEATING ELEMENT

Elena Konakova

engineer, SPbPU,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Целью работы является исследование нестационарных режимов работы микротермоэлектрогенератора. Исследование основывается на проведении экспериментов по снятию временных зависимостей выходных характеристик устройства. Анализ экспериментальных данных позволил выявить основные закономерности нестационарных процессов. Работа устройства в таких режимах позволяет повысить энергоэффективность генерации электрической энергии.

ABSTRACT

Investigation of non-stationary operation modes of a microtermoelectric generator is the purpose of this work. The study is based on experiments to obtain output characteristics of the device during the time. Analysis of experimental data provides identification of the main regularities of non-stationary processes. Operation of the device in this modes leads to increasing of energy efficiency of electricity generation.

Ключевые слова: микротермоэлектрогенератор; нестационарный процесс.

Keywords: microtermoelectric generator; non-stationary process;

В последнее время с развитием микротехнологий и микросистем в энергетике появилась новая ветвь, которая называется power-MEMS или микрогенераторы [1]. В этих устройствах используются различные физические принципы генерации энергии, которые имеют повышенную эффективность за счет использования размерных эффектов. Микротермоэлектрогенераторы (микроТЭГ) рассматриваются как один из основных способов производства электроэнергии устройствами, выполненными в микромасштабе. На сегодняшний день, в мире на уровне лабораторных образцов существует достаточно много разработок микроТЭГ [3, 4]. Однако, широкое практическое внедрение микротермоэлектрогенераторов связано с необходимостью решения ряда технических и технологических проблем, а также повышением их общей эффективности. В настоящей работе рассматриваются вопросы повышения эффективности работы термоэлектрогенераторов, за счет использования нестационарных режимов их работы.

В качестве объекта исследования рассматривался микротермоэлектрогенератор с интегрированным нагревательным элементом, роль которого выполняла микрокамера сгорания. Такие системы становятся все более популярными у исследователей в этой области, поскольку интеграция нагревательного элемента с генерирующим модулем позволяет снизить тепловое сопротивление системы, а также потери теплоты, что в конечном итоге приводит к повышению эффективности работы. Кроме того, использование нагревательных элементов в виде микрореакторов для окисления топлива [2] позволяет гибко варьировать тепловую мощность и реализовывать нестационарные режимы работы. Передавая управление работой микроТЭГа управляющей микросхеме, в сочетании с набором необходимых датчиков и интерфейсов передачи энергии и информации, можно создать «умный» источник питания высокой удельной энергоемкости.

Методика исследования заключалась в снятии временных характеристик электрической мощности с лабораторного образца микроТЭГа, а также их анализ. На рисунке 1, показан вид полученной в ходе эксперимента зависимости.

Рисунок 1. Зависимость выходной электрической мощности микроТЭГа от времени

На графике можно выделить несколько характерных участков. Участок 1 – набор мощности с момента включения. На этом участке происходит включение подачи топлива в реактор и оно начинается окисляться, выделяя теплоту. Однако необходимо некоторое время для того, чтобы пространственное распределение температуры внутри микроТЭГа приблизилось к расчетной конфигурации, при которой достигается расчетное значение мощности (5 Вт). Характеризовать  этот нестационарный процесс нагрева можно при помощи линейного коэффициента набора мощности χ, который рассчитывается как тангенс угла наклона прямой, получаемой при линейной интерполяции  графика на данном участке. В данном эксперименте было получено значение χ=0.074±0.001 Вт/с. Максимальное значение этого коэффициента зависит от конструкции конкретного устройства. Для рассмотренного лабораторного образца экспериментально был найден максимальный коэффициент набора мощности, равный χ_max= 0.35± 0,01 Вт/с.

Второй участок на графике характеризуется медленным падением генерируемой электрической мощности. Это объясняется тем, что при работе генератора происходит нагрев радиатора, который отводит тепловой поток в окружающую среду. В случае, когда поток тепла к радиатору от термоэлектрогенератора больше, чем поток тепла от радиатора к внешней среде, а это реализуется на начальном этапе работы устройства, происходит его нагрев и соответствующее снижение градиента температур на спаях термопар. В виду того, что теплоемкость холодильника достаточно большая, скорость падения мощности не является значительной. При линейной интерполяции этой части графика получены значения  коэффициента падения мощности χ’=-0,003±0,00005 Вт/с.

Нивелировать наблюдаемое падение мощности можно путем увеличения тепловой мощности микрореактора. Это входит в задачу системы управления микроТЭГа. По значениям с датчиков, контролирующих выходную электрическую мощность, контроллер передает команду исполнительным механизмам, которые увеличивают тепловую мощность микрореактора окисления топлива, тем самым поддерживая электрическую выходную мощность на постоянном уровне. Работа этого механизма иллюстрируется на участках 3 и 4. Система управления, работая по описанному выше алгоритму, может поддерживать величину выдаваемой мощности в допуске 0,05 Вт.

Последний участок (5), показанный на  графике 5 является началом процесса падения электрической мощности при окончании генерации тепла в микрореакторе, при полном выключении подачи топлива. Поскольку это часть функционирования микроТЭГа представляет особую важность, мы рассмотрим её подробнее на рисунке 2.

Из рисунка 2 можно видеть, что характер зависимости выходной электрической мощности является существенно нелинейным. Его можно аппроксимировать экспоненциальной функцией (1), которая для рассмотренного случая имеет параметры:

P(t)= 117*exp(-0,0136t) - 1,14                                                        (1)

где: P — выходная электрическая мощность микроТЭГ, Вт;

t —время, с момента прекращения подачи топлива в интегрированный нагреватель, с;

.

Рисунок 2. Зависимость выходной электрической мощности микроТЭГа от времени при выключении нагревателя

Характерное время падения мощности в проведенном эксперименте составило 320 с, начиная с момента выключения интегрированного в микроТЭГ нагревателя. Это время зависит от тепловых свойств самой конструкции устройства. В пределе бесконечно маленьких теплоемкостей характерное время потери мощности стремилось бы к нулю. Однако в силу наличия теплоемкости со стороны горячего спая термопары, этот процесс занимает значительное время. Целенаправленное увеличение теплоемкости этой части устройства соответственно ведет к увеличению этого времени. Однако при этом также увеличивается и время выхода на полную мощность (участок 1 на рисунке 1).

Важно отметить, что общее количество энергии, выработанной термоэлектрогенераторном в этот период составляет 275 Вт*с., что сопоставимо с 55 с работы микроТЭГа на полной мощности (5 Вт). При этом потребление топлива не происходит, что существенным образом влияет на общую эффективность работы устройства, по сравнению со стационарным режимом работы.

Таким образом, по результатам исследования можно сделать выводы:

В работе исследовались нестационарные режимы работы микротермоэлектрогенератора с интегрированным нагревателем. Были детально проанализированы процессы начала генерирования мощности. Показана работа системы стабилизации и управления, способной контролировать значения выходной мощности с точность до 0.05 Вт. Найдены основные зависимости процесса генерирования мощности после выключения нагревателя. Обоснованно предложение использовать нестационарные режимы работы микроТЭГа для повышения общей энергоэффективности генерирования электрической энергии.

Выполнение исследовательской работы поддержано «Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере»

Список литературы:

1. Chou S. K. et al. Development of micro power generators–a review //Applied Energy. – 2011. – Т. 88. – №. 1. – С. 1-16.
2. Dzyubanenko S. V., Konakov S. A., Krzhizhanovskaya V. V. Computer Simulation Approach in Development of Propane-air Combustor Microreactor //Procedia Computer Science. – 2016. – Т. 101. – С. 76-85.
3. Goncalves L. M. et al. Fabrication of flexible thermoelectric microcoolers using planar thin-film technologies //Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2007. – Т. 17. – №. 7. – С. S168.
4. Pelegrini S. et al. Development and characterization of a microthermoelectric generator with plated copper/constantan thermocouples //Microsystem technologies. – 2014. – Т. 20. – №. 4-5. – С. 585-592.