浅谈TEG热发电机结构原理及常见故障处理

【摘要】随着天然气管道输送技术的发展，TEG热发电机在长输管道上获得越来越广泛的使用。而TEG热发电机的结构和发电原理在国内刊物上鲜有报道，笔者结合运行维护实践，对8550型TEG热发电机的基本结构和发电原理进行分析，并对TEG热发电机运行过程中常见故障及处理方法进行了总结。

【关键词】TEG热发电机；结构；发电原理；故障处理

TEG是热电发生机的简称，是Thermoelectric Generator的缩写。它是利用半导体的塞贝克效应，将热能转换成电能的一种装置，它采用热电偶原理发电，将两种不同的金属材料一端连接形成一个热电偶，如果该接点被加热到比另一端温度高，不同材料的两个冷端将产生热电动势。此时可向电路中的负载送电，温差若能保持，这一过程将持续[1-2]。整个转换过程中没有一个运动的部件，所以可靠性高，寿命长，可达20年以上。通常TEG大多数应用在30W至1.5kW之间。冷热端温度对半导体热电发电性能影响都比较大，且变化关系是非线性的[3]。

1、TEG热发电机的组成和结构

某输气管道干线阀室内负载采用TEG热发电机提供，由加拿大环球热电技术公司生产，型号为8550型，发电电压27VDC，额定功率 550W，主要组成包括[4]：

（1）燃烧器：燃烧器由点火系统、燃料供给系统、文丘里管、燃烧器顶板组件。

（2）点火系统：火花点火器、点火模块、自动切断装置。

（3）散热管：12根注满液体的密封传热器件，配有散热翅片，用于冷却发电单元的冷接点。

（4）发电单元：发电机的密封部分，内含热电材料。

（5）6720型限制器：又称功率调节器，指连接在发电机输出端的专用电子装置，与用户负载并联连接，用于转变直流电压大小和限制电压高低。TEG发电单元不允许电压高于35V，因此，功率调节器必须限制用户电压，采用消除过剩功率的办法限制发电单元的电压。

（6）燃料系统：燃料系统是TEG的一个重要组成部分。燃料系统包括一个压力调节器，它调节通向燃料喷嘴的燃料压力。调节器既包括一个燃料过滤器，还包括整个积液槽。压力调节器的出口与一个汇管和压力表相连，压力表是用来监测通向燃料喷嘴的燃料压力的。

（7）自动关闭系统：自动关闭系统的设置是用来在出现燃烧中断时，截断燃料供应。由自动切断阀、关断继电器和热电偶组成。自动切断阀包含一个电磁铁，由安装在燃烧器顶部的热电偶驱动。当热电偶不再被火焰加热时，电流会降到零，电磁铁将阀门关闭，切断气路。

2、TEG热发电机的性能参数

2.1输出电压

若TEG内阻为R，塞贝克系数为EPN，负载电阻为RL，根据塞贝克效应，PN结温差为T=TH-TL时，则作用在负载上的输出电压为[5]：

2.2 输出电流

2.3 输出功率

2.4 工作效率

TEG工作效率为输出功率和热端吸收热量的比，

上式中：

k为温差热电偶的总导热系数，W・K-1・m-1；

A为传热面积，m2；

l为温差电偶臂的长度，m。

3、TEG热发电机的发电原理

一个热电偶是由一个P结和一个N结组成，P结和N结的电阻由热端电极相连。相邻热电偶用冷端电极在冷端进行电气连接。TEG的每个热电偶都十分类似于一个单体铅酸蓄电池，因为它基本上是一个低电压、高电流的电源。8550型的发电机系统上的每个热电偶在21安培时一般就能产生87毫伏的电压。在标准状况下，325个热电偶，每个产生87毫伏的电压，以串联方式连接，从而产生28伏，21安，590瓦的电力。

热电偶的热端，由燃烧器产生的高温（538℃）来维持。燃烧器使用气体燃料，在中等燃料压力下运行，该压力大约为124kPa（18Psi）（丙烷），或62kPa（9Psi）（天然气）。燃料气通过喷嘴后膨胀，然后流经文丘里管，吸入燃烧所需的空气。燃料气体流量由调压阀控制，并且可由操作人员按所需的设定功率调节。热电偶的冷端由一组热管（8550型为12根）来维持其较低的温度（163℃）。每个热管都密封，并注入定量液体。该液体受热会沸腾变成饱和蒸汽，蒸汽在其上部区域会在散热片的作用下再次冷凝，在此过程中，热以一种非常有效的方式传递到散热片。散热片依靠自然对流将热量传递到环境空气中。热电偶采用密封封装，由绝热材料包围，将热损耗降低到最低。总之，当热电材料的冷、热端保持温差时，TEG发电机就可以产生电能。温差和功率大小取决于提供给燃料器的燃料供应速度以及周围空气提供的冷却量，TEG的运行由通向燃烧器的燃料压力来控制。通常情况下单台TEG发电机燃料消耗量单台消耗天然气量为2Nm3/小时。

4、TEG热发电机常见故障检查与维修

4.1 TEG热发电机不能正常点火

（1）为了避免高压电击，从压力开关上拆下橙色的电线，并绝缘，以免碰到其它电线或接头。

（2）松开夹紧装置，小心地拆下电火花电极，并将其滑出来。

（3）检查电火花电极组件的陶瓷套管是否有裂纹，检查穿过陶瓷套管的电线是否连续不断，如有损坏，更换电火花电极。

（4）为了测试控制模件的功能，电火花电极的触点位置应与TEG箱保持3mm的间隔，然后将橙色的电线接头与压力开关相连，就会产生每秒一次的火花，一旦产生火花，表明系统功能正常。

（5）检查压力开关。燃气压力高于16kPa（2.5psi）时，压力开关应为关闭。检查压力开关是否为连线松动（接触不良），若连线牢固，需对压力开关进行清洁或者更换。

（6）测量压力开关上的棕色线和TB-1上的端子4的黑/白细线之间的电压，以检查电池电压。电池电压应该超过2.0伏特。如果该电压低于2.0伏特，则电池需要充电。如果充电后的电池不能达到该电压，则应该更换电池和/或控制模件。

4.2 单台TEG启动后电磁阀不能保持开启处理步骤

（1）在进行下列检测前，应确认热电偶与机箱顶部，热电偶与继电器，及继电器与自动切断阀之间连接紧固。

（2）检查TEG燃烧室热电偶：从自动切断阀上拆下热电偶装置，如果传感器是热的，检查传感器中心盖板与外壳之间的电压，大约为15到30毫伏，如太小应更换传感器。

（3）TEG机箱内的超温关闭模块是否正常：超温模块内有八对接线端子，其中最右侧一对的电压应为名义12V。如果电压正常，说明模块正常。如不正常，则进行下面的检测：模块内的6个保险管是否有一个或多个烧断，如有烧断请更换；如果更换了新的保险管后仍烧断，应检查其对应的热开关；如果保险管全部正常，并且最左侧一对端子的电压正常（应为名义24V），而其它七对端子全都没有电压，则说明电路板损坏。

（4）与第2条中提到的热电偶尾端相连的继电器尾端（与启动关断阀相连）的电压是否与热电偶尾端电压相同，如不正常（此时已确认超温关闭模块正常），则应更换继电器。

（5）如以上三项（热电偶、继电器、超温模块）都正常，则说明自动切断阀损坏，需要更换。安装新的阀门后，应保证无任何管理道密封胶或其它杂质进入管道内，同时，检查燃料是否有泄漏。

4.3 TEG发电机输出功率或输出电压过低

（1）首先对燃烧箱内端子排上第6、7路端子间的电压进行检查，确定发电机的发电单元工作正常。

（2）对发电机顶端的散热热管进行检查，在正常范围内，则散热热管工作正常。

（3）对发电机后部的限压散热模块进行检查和测试，着重检查限压散热模块内左、右侧翅片及电子元件外观及温度是否存在异常，若温度异常且能看到限压器上部分元件有明显烧毁痕迹，则可以判断限压器损坏，需要进行更换。

5、结语

本文对TEG发电机的结构和发电原理进行了分析，并对TEG发电机运行过程中常见故障及处理方法进行了总结。最后，结合TEG发电机的维检修情况对TEG发电机的日常运行维护提供了建议。