溫差發(fā)電技術(shù)在國防工程中的應(yīng)用探討

李 鍇，張海濤

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溫差發(fā)電技術(shù)在國防工程中的應(yīng)用探討

李 鍇1，張海濤2

（解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院，南京 210007）

溫差發(fā)電技術(shù)是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式，它可以利用太陽能、地?zé)崮?、海洋熱能、工業(yè)余熱廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)化為電能。溫差發(fā)電器是能將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的固態(tài)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、無運(yùn)動(dòng)部件、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航天、軍事領(lǐng)域，在廢熱的回收利用方面也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文首先簡要地介紹了溫差發(fā)電技術(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展，探討了溫差發(fā)電技術(shù)在國防工程電力系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用前景，對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了存在問題并進(jìn)行展望。

塞貝克效應(yīng) 溫差發(fā)電 國防工程

0 引言

溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲、使用壽命長，是被世界公認(rèn)的綠色環(huán)保發(fā)電方式。由于其顯著優(yōu)點(diǎn)，溫差發(fā)電在軍事、航空等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著石油儲(chǔ)量日益減少，發(fā)達(dá)國家更加重視溫差發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域的研究。我國雖然在溫差發(fā)電理論和熱電材料制作方面具有一定的理論實(shí)力，但是在溫差發(fā)電器綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的研究還很欠缺。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，國防工程的內(nèi)部能源系統(tǒng)如何應(yīng)對戰(zhàn)爭威脅已是當(dāng)務(wù)之急，溫差發(fā)電系統(tǒng)提供了一個(gè)特殊的解決方式。

1 國內(nèi)外溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展

自20世紀(jì)60年代以來，由于國防、軍事等特殊行業(yè)需求，溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用迅速發(fā)展，一些具有較好熱電性能的材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等相繼而生。前蘇聯(lián)和美國先后研發(fā)了數(shù)千個(gè)放射性同位素或核反應(yīng)堆溫差發(fā)電器用作航空、海洋裝置的電源。隨著環(huán)境污染加劇和能源危機(jī),人們開始關(guān)注溫差發(fā)電在廢余熱利用中的價(jià)值，很多國家已將發(fā)展溫差發(fā)電技術(shù)列為長期能源開發(fā)計(jì)劃。日本開展了一系列以“固體廢物燃燒能源回收研究計(jì)劃”為題的政府計(jì)劃，研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發(fā)電技術(shù)[1]。在美國能源部和紐約州能源研究開發(fā)權(quán)利機(jī)構(gòu)資助下開發(fā)了汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，使用20組HZ-20熱電模塊，最大輸出功率255.1 W[2]。

國內(nèi)在溫差發(fā)電方面的研究起步相對較晚，工業(yè)應(yīng)用極少。80年代中期，中國能源所對半導(dǎo)體溫差發(fā)電相關(guān)課題進(jìn)行過研究與試驗(yàn)，到了90年代末，天津大學(xué)物理系也對“混合式溫差能利用技術(shù)”進(jìn)行了試驗(yàn)研究。國家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期間重點(diǎn)開展了海洋溫差能的研究，并于2012年成功建成了一座15 kW實(shí)用溫差發(fā)電裝置，填補(bǔ)了我國在此領(lǐng)域的空缺。

2 溫差發(fā)電技術(shù)在國防工程中的應(yīng)用研究

2.1 應(yīng)用背景

國防或地下工程內(nèi)部能源供給系統(tǒng)必須滿足五方面要求:一是系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定;二是運(yùn)行調(diào)節(jié)能力強(qiáng);三是滿足地下工程對供電、供熱、制冷、除濕等多種綜合服務(wù)要求;四是低污染、低排放、低能耗、低噪聲及偽裝性能優(yōu)良;五是注重經(jīng)濟(jì)性[3]。

柴油機(jī)是目前為止熱機(jī)領(lǐng)域中效率最高的內(nèi)燃機(jī)，對于國防工程發(fā)電設(shè)備選擇而言，柴油機(jī)以其較大的功率范圍、高可靠性、壽命長、經(jīng)濟(jì)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，已取得了絕對的統(tǒng)治地位。其熱效率約為30～55%，而廢氣帶走的能量也占到了燃油發(fā)熱總值的25～40%，從而具有很大的回收利用潛力。尤其是對于大功率柴油機(jī)發(fā)電機(jī)而言，因其耗油量多，排放溫度高且排氣量大，所以其廢氣中蘊(yùn)藏的可回收利用的能量非常大[4]。

表1 柴油機(jī)的熱平衡數(shù)值。從表中可見柴油機(jī)燃料燃燒所放出的能量僅有約三分之一被有效利用，其它的能量則通過廢氣、冷卻水等方式散發(fā)掉，而其中排氣散失的能量所占的比例較大，而且研究表明排氣能量的品質(zhì)較高。因此，有效回收利用這部分能量對于降低能源消耗、提高柴油機(jī)對能源的整體利用效率、降低CO2排放等具有重要的意義。

然而目前在國防工程內(nèi)部并沒有充分利用柴油機(jī)廢氣中這部分寶貴的能量，大部分只是將柴油機(jī)廢氣用于廢氣渦輪增壓器后通過廢氣鍋爐就直接排入大氣。更進(jìn)一步而言，柴油發(fā)電機(jī)組的排氣溫度高達(dá)350℃以上，能量品位較高。對于品位高的余熱能量應(yīng)該考慮先作動(dòng)力利用，再作熱利用，以最大限度的回收其余熱能量。另一方面高溫?zé)煔馀欧艠O易暴露目標(biāo)，難免遭受高科技尖端武器精確制導(dǎo)打擊，且柴油發(fā)電機(jī)組噪聲較大，對人員造成次傷害。

國內(nèi)外對柴油機(jī)尾氣溫差發(fā)電研究還不夠成熟，在船舶用柴油機(jī)組余熱發(fā)電方面可能涉及較多，但在國防工程領(lǐng)域利用溫差發(fā)電技術(shù)，目前還是空白。

2.2 發(fā)展優(yōu)勢

目前利用柴油發(fā)電機(jī)余熱發(fā)電有三種常見方式，一種是利用廢氣進(jìn)行渦輪發(fā)電，一種是靠朗肯循環(huán)來實(shí)現(xiàn)蒸汽透平發(fā)電，還有一種就是溫差發(fā)電,也是目前在該領(lǐng)域應(yīng)用較少的一種技術(shù)。

從市場前景來看，溫差發(fā)電技術(shù)相比其他兩種方式有以下幾個(gè)發(fā)展優(yōu)勢：

1）節(jié)能效果明顯。對內(nèi)燃機(jī)電站廢氣進(jìn)行溫差發(fā)電的研究表明,對于一個(gè)1 MW的機(jī)組,如果排氣溫度為370℃,煙氣流量6000 m3/h,采用溫差發(fā)電扣除掉維持系統(tǒng)自身運(yùn)行的冷卻水泵消耗功率后可以得到16 kW的功率,轉(zhuǎn)換效率為3.8%。通過溫差發(fā)電器發(fā)出的電完全可以滿足照明設(shè)施及其他用電設(shè)備的用電量。

2）經(jīng)濟(jì)成本低。由于熱電材料的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)還在研究階段，價(jià)位相對較高，單個(gè)熱電模塊價(jià)格約50～250元。如果以后進(jìn)入全面產(chǎn)業(yè)化階段，成本會(huì)進(jìn)一步降低，這對于現(xiàn)有的柴油機(jī)組等運(yùn)動(dòng)部件的成本來說是微不足道的。

3）體積小、結(jié)構(gòu)簡單。以熱電模塊F30345舉例，每片大約4 mm厚，面積為16 cm2，因此溫差發(fā)電器所占據(jù)的體積也是有限的。整個(gè)裝置只需將這些發(fā)電模塊串、并聯(lián)在一起，并用夾緊機(jī)構(gòu)固定在排氣管或集熱板外側(cè)即可，安裝方便，這些優(yōu)勢都有助于溫差發(fā)電技術(shù)運(yùn)用在柴油機(jī)廢氣排放利用中。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柴油機(jī)尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱器、溫差發(fā)電片、冷卻器以及電子管理系統(tǒng)組成。集熱器接在內(nèi)燃機(jī)排氣管上，通過收集內(nèi)燃機(jī)尾氣中的余熱，并將熱量傳遞給半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，而溫差發(fā)電片將熱能轉(zhuǎn)化為電能。冷卻裝置用來給半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的冷端散熱，以增大冷熱端的溫差，從而提高發(fā)電效率，循環(huán)冷卻裝置可以集成到柴油機(jī)中，也可以采用單獨(dú)的循環(huán)水泵和散熱器。整個(gè)系統(tǒng)可分為熱電轉(zhuǎn)換部分、電力供給部分、冷卻裝置、控制器四部分。圖1是溫差發(fā)電系統(tǒng)的職能圖。圖2是溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，控制器接通系統(tǒng)電路和冷卻水泵，熱電模塊開始發(fā)電(待排氣管外壁溫度明顯上升后)，同時(shí)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)開始工作。各熱電模塊間并聯(lián)，所發(fā)電流經(jīng)電信號傳感器和放大電路處理后，接入恒流充電電路，儲(chǔ)存在蓄電池中。當(dāng)蓄電池的電量充滿時(shí)，蓄電池檢測儀將信號傳給控制器，控制系統(tǒng)停止工作。當(dāng)蓄電池電量不足50%時(shí)，蓄電池檢測儀將信號傳給控制器，控制系統(tǒng)再次啟動(dòng)。產(chǎn)生的電能先經(jīng)過升壓電路、穩(wěn)壓電路，為其他用電設(shè)備供電，將富余的電能存儲(chǔ)在蓄電池中。蓄電池一部分電供直流設(shè)備使用，一部分經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流，供交流設(shè)備使用。

3 存在的問題

3.1 發(fā)電效率

溫差發(fā)電的效率效率普遍處于4～10%之間，遠(yuǎn)低于火力發(fā)電的40%，最主要的原因是熱電材料性能不理想，另一方面是發(fā)電器的散熱問題，這大大限制其使用范圍。

3.2 發(fā)電匹配

發(fā)電機(jī)輸出功率與整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)有關(guān)，如冷熱端溫差、接觸熱阻、回路電流、負(fù)載電阻等。在不同的工作條件下，溫差發(fā)電器的性能差別很大，需要尋找適合系統(tǒng)工作的最佳參數(shù)區(qū)。

3.3 環(huán)境因素

高溫會(huì)引起周圍雜質(zhì)向熱電材料擴(kuò)散，從而引起熱電材料的塞貝克系數(shù)減小。濕氣會(huì)使得在焊接處產(chǎn)生原電池，從而在接頭處產(chǎn)生電解腐蝕作用而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

4 結(jié)論和展望

目前，針對汽車或內(nèi)燃機(jī)排氣余熱利用已引起眾多國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的興趣，溫差發(fā)電技術(shù)是其中比較新穎并更適合柴油機(jī)使用的一種余熱利用方式。它能夠通過溫差而產(chǎn)生電流，將柴油發(fā)電機(jī)組排放廢氣中的熱能轉(zhuǎn)化成電能，從而達(dá)到能源回收和節(jié)能目的，這是一個(gè)全新的課題。對半導(dǎo)體溫差發(fā)電來說，提高其發(fā)電效率主要由兩個(gè)方面，一方面是對溫差發(fā)電外部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，另一方面是尋找高優(yōu)值的半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料。提高溫差發(fā)電材料的優(yōu)值系數(shù)是提高發(fā)電片發(fā)電效率的研究方向。還應(yīng)考慮利用柴油機(jī)尾氣利用溫差發(fā)電發(fā)出的電能用來對尾氣進(jìn)行靜電除塵。

[1] Kyono T, Suzuki R O, Ono K. Conversion of unused heat energy to electricity by means of thermoelectric generation in condenser[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18(1):330-334．

[2] 趙建云，朱冬生. 溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀[J]. 電源技術(shù)，2010，34(03):310-313.

[3] 李集，諶力. 地下工程 PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)安全評估[J]. 電氣技術(shù)，2014，（3）：50-54.

[4] 孫培廷，李斌. 船舶柴油機(jī)[M]. 大連:大連海事大學(xué)出版社，2002.

Review on Thermoelectric Power Generation Technology Used in National Defense Project

Li Kai1, Zhang Haitao2

(Engineering Institute of National Defense，PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007, China)

Thermoelectric power generation is an environment-friendly power source which can use the low-grade heat energy such as solar heat, geothermal energy, industrial waste heat and so on, to generate electricity. Thermoelectric generators are solid state devices which can directly convert thermal energy to electricity and have advantages of simple structure, reliability, no moving parts and being friendly to the environment, can be widely used in aerospace, military fields, and have broad prospects in application of recovery of industrial waste heat. This paper briefly reviews the recent developments and application status about thermoelectric, discusses the thermoelectric power generation technology applications in defense projects in the electricity system construction and gives problems of thermoelectric generators and their solutions.

Seebeck effect; thermoelectricity; defense projects

TM619

A

1003-4862（2015）03-0008-04

2014-10-18

李鍇(1987-), 男，碩士。研究方向：國防工程內(nèi)部柴油機(jī)組尾氣溫差發(fā)電。