船用柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)研究

鄭喜洋，王志剛，鐘慶源

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司711研究所，上海210200)

船用柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)研究

鄭喜洋，王志剛，鐘慶源

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司711研究所，上海210200)

基于循環(huán)導(dǎo)熱介質(zhì)設(shè)計(jì)了1種船用柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電裝置，并通過(guò)柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試了該裝置內(nèi)部溫度分布規(guī)律以及電能輸出特性。試驗(yàn)結(jié)果表明,該裝置通過(guò)循環(huán)導(dǎo)熱的方式，為冷、熱端提供十分均勻穩(wěn)定的溫度，有利于高品質(zhì)電能的輸出，而且得到了在電阻改變時(shí)裝置的輸出特性,驗(yàn)證了熱電裝置在船用領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。最后對(duì)該裝置的優(yōu)化改進(jìn)提供了建設(shè)性意見(jiàn)，對(duì)今后的研究工作具有一定的指導(dǎo)意義。

熱電材料；溫差發(fā)電；船用柴油機(jī)

0 引言

柴油機(jī)具有排氣溫度高、 流量大等特點(diǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中大量的熱能隨排氣流失，因此如果能將排氣中的熱能回收并轉(zhuǎn)換成其他可利用的能量形式，就可以提高能源的使用效率。柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，可將排氣中蘊(yùn)含的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，且裝置具有體積小、重量輕、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。國(guó)外研究人員通過(guò)建立船用溫差發(fā)電機(jī)模型，對(duì)熱電材料在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析。但此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)船舶領(lǐng)域的應(yīng)用還屬空白，目前得到一些院校和汽車廠商的重視并開發(fā)使用[3-5]。

本文結(jié)合船用柴油機(jī)的排氣特點(diǎn)，在研究直接換熱形式余熱溫差發(fā)電裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了1套采用循環(huán)載熱介質(zhì)的船用柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電裝置，通過(guò)試驗(yàn)分析其應(yīng)用的可行性，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提出改進(jìn)措施。

1 余熱發(fā)電的理論基礎(chǔ)

熱電元器件是溫差發(fā)電裝置的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換，發(fā)電效率是由熱電材料(即半導(dǎo)體材料)的性能和元器件的制造工藝共同決定的，工作原理可由Seebeck 效應(yīng)解釋。

1821年德國(guó)的物理學(xué)家Seebeck 發(fā)現(xiàn)，2種不同的金屬經(jīng)焊接的方式所組成的板塊，如果板塊兩端不同金屬間有溫差存在，那么將會(huì)有微小電流產(chǎn)生，其原理如圖1所示。

圖1 Seebeck效應(yīng)示意

圖中，A、B表示P、N兩種材料不同金屬板，T1、T2分別表示冷熱兩端溫度不考慮板塊內(nèi)阻的存在以及熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的影響。

熱電材料內(nèi)部由溫差而產(chǎn)生的電壓ΔE，可由式(1)表示：

ΔE=αΔT

(1)

式中：ΔE為線路輸出的電壓，V；α為Seebeck系數(shù)，V/K；ΔT為T2與T1的差， K。

目前余熱發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率不高，主要是受熱電轉(zhuǎn)換材料的限制，效率約為10%?？己宿D(zhuǎn)換效率的性能指標(biāo)一般用溫差電優(yōu)值，見(jiàn)式(2)：

Z=α2σ/λ

(2)

式中：σ為材料的電導(dǎo)率；λ為材料的熱導(dǎo)率；Z的量綱為K-1。

一般為了計(jì)算方便，常常用無(wú)量綱優(yōu)值ZT作為評(píng)價(jià)材料熱電轉(zhuǎn)換效率的標(biāo)準(zhǔn)。要提高材料的熱

電轉(zhuǎn)換效率，關(guān)鍵在于找到溫差電優(yōu)值更好的材料。

目前，國(guó)內(nèi)外研究較成熟并已實(shí)際應(yīng)用的材料主要有Bi2Te3、PbTe、SnTe、TAGS、SiGe合金等，不同材料應(yīng)用的溫度范圍、熱電效率也各有差異，各材料與ZT的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別如圖2、圖3所示。

圖2 P端材料特性

圖3 N端材料特性

由圖2、圖3可知，200 ℃以下時(shí)，Bi2Te3屬于低溫段熱電轉(zhuǎn)換效率最高的材料，主要用于制冷元器件。300～500 ℃時(shí)，PbTe展現(xiàn)出良好特性，多用于溫差電源；800 ℃以上時(shí)，SiGe材料的ZT約等于1，是目前航天器溫差電源的主要使用材料。

2 試驗(yàn)裝置的研制

在國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出1套采用循環(huán)載熱介質(zhì)的船用柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電裝置，并通過(guò)試驗(yàn)研究影響熱電轉(zhuǎn)換效率的因素。試驗(yàn)裝置主要由換熱模塊、熱電轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊和冷、熱介質(zhì)循環(huán)模塊組成。裝置原理圖如圖4所示。

換熱模塊是實(shí)現(xiàn)載熱介質(zhì)(導(dǎo)熱油)與柴油機(jī)排氣熱量交換的場(chǎng)所。本裝置采用導(dǎo)熱油循環(huán)交換發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱量，排氣中的熱量流經(jīng)換熱模塊，將熱量傳遞給換熱模塊中流動(dòng)的導(dǎo)熱油，攜帶熱量的導(dǎo)熱油流向熱電轉(zhuǎn)換模塊。裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

熱電轉(zhuǎn)換模塊是實(shí)現(xiàn)熱能-電能轉(zhuǎn)換的場(chǎng)所。熱電模塊由8個(gè)TEP-1型熱電器件以串并聯(lián)的形式構(gòu)成1組，共3組，實(shí)現(xiàn)溫差電機(jī)功率的拓展；熱電器件由集熱板、熱電片和散熱板組成；熱電片作為核心部件，由熱電材料制成，在兩端面溫差的作用下利用熱電材料的Seebeck效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。

電源管理模塊是管理熱電模塊發(fā)電量的場(chǎng)所。電源管理模塊一方面追蹤熱電器件發(fā)電特性，結(jié)合載荷情況實(shí)現(xiàn)最大功率輸出；另一方面將電能轉(zhuǎn)換為與載荷匹配的電量。

圖4 溫差熱電裝置原理圖

圖5 溫差熱電轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)

冷、熱介質(zhì)循環(huán)模塊是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油及冷卻水循環(huán)的動(dòng)力場(chǎng)所。冷卻水來(lái)自柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，通過(guò)流量計(jì)和比例調(diào)節(jié)閥等，實(shí)現(xiàn)流量的控制，為熱電元器件提供所需的冷端溫度；在循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)熱油在換熱模塊吸收熱量，到熱電轉(zhuǎn)換模塊熱端釋放熱量；循環(huán)模塊管路上設(shè)置有膨脹槽和油氣分離器，用來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)導(dǎo)熱油的膨脹量，及時(shí)將因溫度升高而產(chǎn)生的氣體排出，以便維持導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

柴油機(jī)排氣工況見(jiàn)表1。在表1排氣工況下進(jìn)行試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表2中，T3為柴油機(jī)排氣進(jìn)入換熱器溫度，T4為柴油機(jī)排氣出換熱器溫度，Q1為導(dǎo)熱油循環(huán)流量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，排氣與導(dǎo)熱油換熱后，溫度下降幅度較大，說(shuō)明本套溫差熱電裝置能有效回收柴油機(jī)排氣能量。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算熱電材料的熱電效率，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 排氣工況表

表3 計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：溫差發(fā)電裝置能夠穩(wěn)定地輸出電壓和電流，但熱電轉(zhuǎn)換效率并不高，后續(xù)進(jìn)一步提高熱電元器件轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)研究方向。

4 結(jié)論

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為提高余熱的回收利用效率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果必須對(duì)溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，建議如下。

(1)導(dǎo)熱油循環(huán)換熱系統(tǒng)與直接使用熱電片相比，電源模塊可以呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的電能輸出。美中不足的是排氣端仍有大量的未被回收利用，建議可以在原有基礎(chǔ)上采用串并聯(lián)的方式再增加幾組熱電模塊，實(shí)現(xiàn)余熱的多級(jí)回收利用。

(2)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)3組熱電模塊內(nèi)的溫度呈梯度下降。由圖2和圖3可知，不同溫度下不同的熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率差異明顯。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定選用該溫度下最佳熱電轉(zhuǎn)換材料，完成溫度和材料轉(zhuǎn)換效率的最佳匹配。

(3)熱電材料的熱端和冷端之間的溫度差越大，轉(zhuǎn)換效率就越高。通過(guò)采用提高熱端溫度，或者降低冷端溫度的方式可以提高熱電轉(zhuǎn)換效率。

(4)本熱電試驗(yàn)裝置的管路布置導(dǎo)致管內(nèi)流量不均勻，溫度分布存在差異，可能會(huì)產(chǎn)生電壓環(huán)流，影響電能輸出的品質(zhì)。因此，重新布置管路或加裝流量平衡穩(wěn)定裝置，保證管內(nèi)流體流量基本不變是十分必要的。

熱電材料是利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料。它可以用于制作溫差發(fā)電機(jī)或電制冷裝置，這些熱電器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、安全、清潔、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。船用柴油機(jī)排氣溫度高、流量大、熱量損失大，將其與熱電材料結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)余熱再利用。試驗(yàn)表明了這種設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，但也存在熱電轉(zhuǎn)換效率不高的問(wèn)題，該裝置要實(shí)現(xiàn)在船舶上的實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

[1] 涂小亮, 倪計(jì)民, 石秀勇. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究[J]. 汽車技術(shù), 2015(4)：22-25，40.

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2016-07-12

上海市經(jīng)濟(jì)和信息委員會(huì)項(xiàng)目(Z2014JMZ-002/015-1-DZ)作者簡(jiǎn)介：鄭喜洋(1987—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)橛酂釡夭畎l(fā)電、船舶污染物排放控制。

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