深海熱液溫差發(fā)電系統(tǒng)研究

梅翔 崔潤(rùn)揚(yáng) 鄭煜輝 辛光紅

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572000）

海底熱液俗稱海底黑煙囪是指海底火山在巖質(zhì)圈與海水發(fā)生的熱能與化學(xué)物質(zhì)相互之間發(fā)生交流的過程， 具體特點(diǎn)為有高溫?zé)嵋河砍?。海底熱液研究?duì)揭示生命起源、物種演化、生物成礦的機(jī)理具有重大意義。解決觀測(cè)海底熱液活動(dòng)設(shè)備的能量供給是進(jìn)行長(zhǎng)期駐點(diǎn)觀測(cè)的首要保障。本項(xiàng)目利用海底熱液產(chǎn)生的溫差勢(shì)能結(jié)合輪機(jī)、溫差發(fā)電片設(shè)計(jì)了有效可行的方案。

1 項(xiàng)目研究的背景與理論依據(jù)

1.1 海底熱液情況概述

海底熱液大多分布在2000 米至3000 米深度范圍的海底，其一般溫度為200 攝氏度左右，最高溫度可達(dá)400 攝氏度。而周圍海水的溫度只有2-4℃，深海熱液區(qū)巨大的溫度梯度使其蘊(yùn)含巨大的溫差能，全球深海洋中脊熱液區(qū)的熱通量達(dá)到1.5-2.8TW 有效的利用這些溫差能，為深海探測(cè)設(shè)備提供能量供給具有重要的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外已開展了對(duì)深海熱液溫差能利用裝置的研究，但都只停留在理論階段，還沒有研發(fā)出能有效的將深海熱液溫差能轉(zhuǎn)化為電能的溫差能發(fā)電裝置[1]。

1.2 溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電技術(shù)的基本原理是塞貝克效應(yīng)，其內(nèi)容是:將P 型和N 型兩種不同類型的熱電材料的一端相連形成一個(gè)PN 結(jié)，并使之一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)，由于熱激發(fā)的作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，由于存在濃度梯度，使得空穴和電子向低溫端擴(kuò)散產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，通過熱電材料熱端和冷端之間的溫度差，實(shí)現(xiàn)了熱能向電能的直接轉(zhuǎn)化。由于一個(gè)PN 結(jié)所能形成的電動(dòng)勢(shì)非常小，因此在實(shí)際應(yīng)用中將很多PN 結(jié)，按照一定的方式連接起來，以獲取足夠高的電壓，這就是溫差發(fā)電器的基本原理。

1.3 汽輪機(jī)熱- 電能發(fā)電在深海熱液中的應(yīng)用

朗肯循環(huán)系統(tǒng)既屬于水蒸氣動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)， 也是蒸汽動(dòng)力設(shè)備的基礎(chǔ)循環(huán)系統(tǒng)， 現(xiàn)在所有水蒸氣類的復(fù)雜循環(huán)系統(tǒng)幾乎都是以它為基礎(chǔ)而發(fā)展出來的。朗肯循環(huán)系統(tǒng)指的是以蒸汽為循環(huán)工質(zhì)的一個(gè)理想循環(huán)系統(tǒng)流程，大致分為四個(gè)步驟:等熵壓縮過程、等壓加溫流程、等嫡膨脹過程和等壓冷卻流程。其中朗肯循環(huán)系統(tǒng)基本上是由水泵、鍋爐燃燒設(shè)備、汽輪機(jī)、冷卻器這四個(gè)最重要的設(shè)備所構(gòu)成?？紤]了海底熱液溫度差與水發(fā)電朗肯循環(huán)系統(tǒng)工作的環(huán)境特性， 通過使用水加熱器回收熱液口所涌出的高溫水和高壓熱液中的熱量， 并使用它加熱朗肯循環(huán)工質(zhì);把加溫之后的循環(huán)工質(zhì)，經(jīng)由預(yù)制保溫管道導(dǎo)入到微小汽輪機(jī)中通過擴(kuò)張作功， 由微小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)臂拉著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開始發(fā)電;使用高熱液口周圍水溫比較低的海水，制冷到微小汽輪機(jī)擴(kuò)張作功之后流入冷凝器的乏汽;然后，使用自動(dòng)化水泵把制冷之后的朗肯循環(huán)工質(zhì)， 再次送到高溫加熱器中完成一個(gè)循環(huán)過程。

2 深海熱液流速與溫度場(chǎng)分析

海底熱液因溫度高、流速塊噴出的熱液流體不是很快就能與海水混合并達(dá)到平衡，而是以熱液柱的形式在海水中存在并隨流漂移一段時(shí)間。由已有的深海熱液活動(dòng)環(huán)境建模分析可知熱液柱中軸速度與熱液流體上升高度的關(guān)系如圖1。熱液柱流動(dòng)速率約為1m/s，平均垂直流速在10cm/s 左右;熱液柱上升時(shí)，存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，速度在10cm/s 的量度。

圖1 熱液柱中軸速與升高度關(guān)系

海底熱液攜帶有大量金屬元素，由噴氣孔中自動(dòng)釋放的熱液很快就被周圍海洋所稀釋并進(jìn)行了大量的沉積、氧化等反應(yīng)，從而產(chǎn)生了懸浮顆粒物的熱液羽流。通過監(jiān)測(cè)海洋水域的熱流量值、細(xì)顆粒物含量、特征化學(xué)元素濃度等的異常值和分布，可以獲取海洋熱液擴(kuò)散數(shù)據(jù)。在已有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過數(shù)值計(jì)算模擬出熱液溫度場(chǎng)呈單峰形狀分布[2]。熱液口溫度場(chǎng)仿真圖如圖2所示。

圖2 熱液口溫度場(chǎng)仿真圖

3 發(fā)電系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械能發(fā)電系統(tǒng)

微型汽輪機(jī)作為機(jī)械能發(fā)電的一部分采用了朗肯循環(huán)設(shè)計(jì)，是熱能回收發(fā)電體系中最關(guān)鍵的一部分，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。因?yàn)檎麄€(gè)微小渦輪設(shè)備工作的環(huán)境是在水底， 而且全部設(shè)備都必須采用深潛器進(jìn)行布設(shè)，所以就需要外型非常簡(jiǎn)潔、體積小巧才可以達(dá)到整體布局的需要。整個(gè)微小渦輪設(shè)備的密閉與耐壓的條件， 以及外型簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)是通過采用了單獨(dú)設(shè)計(jì)的一個(gè)耐壓密封型腔而完成， 整個(gè)微小渦輪設(shè)備的通流循環(huán)工質(zhì)的管子以及發(fā)電機(jī)均布設(shè)于這個(gè)耐壓密閉型腔內(nèi)。而整體的微小渦輪設(shè)備就外形來看是一個(gè)耐壓密閉型腔， 通過共鳴腔體的端蓋與上面設(shè)計(jì)的通流循環(huán)工質(zhì)的管子連接， 以及通過傳遞電力的水密接口。采用這種的設(shè)計(jì)方式可使安裝軸承轉(zhuǎn)子葉片和隔墻板的缸體設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化， 因?yàn)榇藭r(shí)缸體的設(shè)計(jì)已經(jīng)不需顧及抗壓的條件，而僅需顧及了安裝隔墻板、支承電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，以及布局通流循環(huán)工質(zhì)的通道問題。這也就大大簡(jiǎn)化了微型渦輪設(shè)備缸體的設(shè)計(jì)問題與工藝難點(diǎn)， 同時(shí)有效運(yùn)用了缸體和抗壓密封型腔間的空隙，還能夠發(fā)揮在通流做功之后循環(huán)工質(zhì)的功能，從而縮短了通流部分的架構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。

圖3 微型汽輪機(jī)裝置的裝配圖

3.2 半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)

以TES112703 為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了溫差發(fā)電單元的基本結(jié)構(gòu)。溫差發(fā)電片TES112703 的數(shù)據(jù)參數(shù)如表1。

表1 TES112703 性能參數(shù)

當(dāng)確認(rèn)了溫差水力發(fā)電葉片的型式之后， 按照材質(zhì)的熱性能參數(shù)， 并考慮了在高溫水力發(fā)電片中的材質(zhì)在向室溫轉(zhuǎn)變的過程當(dāng)中，熱導(dǎo)率是否會(huì)有改變。從數(shù)據(jù)上來說，在溫差水力發(fā)電片中BiaTe 三材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)在30-315℃較大的工作溫度區(qū)域內(nèi)，變化值為2W/mK 左右并隨環(huán)境溫度的升高而增大，而且這種數(shù)據(jù)在與發(fā)電設(shè)備中的熱端與冷端金屬材料鋁合金的200W/mK 的熱導(dǎo)率值相比下也可忽略不計(jì)， 于是從熱分析方法中， 把BiaTe 三材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)確定為常溫26℃以下1.4W/mK并進(jìn)行了求解。利用ANSYS 進(jìn)行熱學(xué)模擬分析，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)增加2.3mm 造成的溫差變化大了約2℃， 相當(dāng)于針長(zhǎng)增大1mm 溫差變化增大0.8℃;對(duì)比而言，針長(zhǎng)增大了8mm 溫差變化大了約7℃，增大了1mm 溫差變化增大0.9℃。則得出以下結(jié)論：針長(zhǎng)越短，每增加單位長(zhǎng)度針長(zhǎng)，所帶來的散熱效應(yīng)就更大。

根據(jù)上述，本文最終設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電單元的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4。溫度發(fā)電片30*30mm 的長(zhǎng)寬約為溫度發(fā)電片中熱電偶排布的范圍，但因?yàn)橐鰺釋?dǎo)線，所以該溫度發(fā)電單元的外部實(shí)際長(zhǎng)度是34*30*4mm。

圖4 結(jié)構(gòu)分布圖

整套控制系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)成分為:溫度提取模組，熱電轉(zhuǎn)化模組，供電控制和管理模組，保護(hù)模組。圖中的各數(shù)值指代含義是:1- 加固螺釘，2- 熱端集熱模組，3- 溫度發(fā)電片，4- 定位框，5- 電源管理模塊，6- 冷端散熱模塊，7- 冷端。

4 電路控制系統(tǒng)

溫差發(fā)電裝置電源管理電路通過Boost 升壓電路，將由溫差發(fā)片所形成的的較低的電流進(jìn)行升壓[4]。

BooSt 電路的工作機(jī)理: 在電路開關(guān)S 閉合時(shí)， 輸入電流V一為電感L 補(bǔ)充，而兩極體Vd則陰止了電容器C 對(duì)地的釋放電流，經(jīng)過一段時(shí)間之后，在電路開關(guān)S 斷開時(shí)，因?yàn)殡姼械奶匦?，流過電感的電流并不是在一瞬間變成零， 而是沿著原來輸入電流的方向慢慢地降至零，此時(shí)二極管Vd導(dǎo)通，而電感L 為電容C補(bǔ)充，電容二端電壓也就高過了輸入電流V1。

穩(wěn)壓采用LM系列穩(wěn)壓芯片，其集成電路構(gòu)造簡(jiǎn)潔，架設(shè)方式相當(dāng)容易能夠非常簡(jiǎn)單的把5V 的輸入電流穩(wěn)定輸出，通過查看使用手冊(cè)中顯示， 輸入電流應(yīng)該在3.5V-40V 的范圍之內(nèi)，而輸出電壓則根據(jù)集成電路中的R1與R2決定：

因此，使用變陰器R 可以根據(jù)計(jì)算隨時(shí)改變輸出電壓的數(shù)值。因?yàn)樽畹洼斎腚妷簽?.5 V，在溫差發(fā)電領(lǐng)域，3.5V 的發(fā)電電壓一般存在于由多個(gè)溫差發(fā)電片連接使用的場(chǎng)合。

通過BQ2_5_570 使用手冊(cè)可知， 其能夠以全冷啟動(dòng)電壓330mV 起步，一旦啟后就能夠從最低100mV 的輸送電流范圍中繼續(xù)工作，在工作輸送電流范圍能夠保持在低于5nA，并且還具備可程序設(shè)計(jì)的最大工作功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)采集網(wǎng)絡(luò)，和有效優(yōu)化了進(jìn)入供電元件中的電量傳送的控制功能， 里面設(shè)有欠壓電平防護(hù)模組，或更程序化的過壓電平防護(hù)模組，能夠?qū)崟r(shí)為可充電電池以及超級(jí)電容或儲(chǔ)能裝置充能。所以，BQ25570 可視為一款功能強(qiáng)勁的超低功耗低壓采錄器。通過對(duì)其串聯(lián)連接可獲得較高的發(fā)電電壓。

5 熱循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)

由于應(yīng)用環(huán)境是高溫高壓的海底，且海水具有較強(qiáng)的腐蝕性。所以熱液管道設(shè)計(jì)所選材質(zhì)應(yīng)具有耐高溫高壓、防腐蝕等特性。本項(xiàng)目為了增加發(fā)電效能、縮小發(fā)電裝置體積，采用螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。螺旋結(jié)構(gòu)可用有效增加單位體積下管道長(zhǎng)度，增加溫差發(fā)電片數(shù)量，提升效能。熱循環(huán)管道如圖6 所示，溫差發(fā)電片安裝如圖7 所示。溫差發(fā)電片的集熱端安裝在管道壁上，冷面朝向海水，達(dá)到溫差比，實(shí)現(xiàn)溫差高效利于。

圖6 熱循環(huán)管道螺旋結(jié)構(gòu)

圖7 溫差發(fā)電片在管道安裝示意圖

配合熱循環(huán)管道結(jié)構(gòu)和機(jī)械穩(wěn)定性分析，熱循環(huán)整體外觀殼體采用穹頂結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。穹頂設(shè)計(jì)為上下兩部分，中間用支柱連接，海水從空隙中流進(jìn)流出。穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括以下兩點(diǎn)。一是可用給熱液管道保護(hù)支撐，增強(qiáng)系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。二是穹頂結(jié)構(gòu)降低了熱液溫差場(chǎng)的橫向擴(kuò)散，在縱向擴(kuò)撒上起到約束引導(dǎo)作用，提高了熱液溫差的有效利用率。

圖8 穹頂殼體設(shè)計(jì)

6 整體裝配及總結(jié)

整個(gè)發(fā)電裝置整體裝配如圖9 所示。包括一級(jí)“朗肯循環(huán)”汽輪機(jī)發(fā)電和二級(jí)TES112703 溫差能發(fā)電部分，以及上下穹頂和底座等其他零部件。溫差發(fā)電片的集熱端安裝在管道壁上，冷面朝向海水，達(dá)到最佳的散熱效果。穹頂設(shè)計(jì)為上下兩部分，中間用支柱連接，主要作用為給熱液管道保護(hù)支撐以及增加溫差發(fā)電管路長(zhǎng)度[5]。從設(shè)計(jì)到仿真模擬，再到最終的產(chǎn)品成型還有很多的實(shí)驗(yàn)要做，數(shù)據(jù)要測(cè)。本文設(shè)計(jì)的海底熱液溫差發(fā)電方案是對(duì)利用海洋能源的有益嘗試，具有一定借鑒價(jià)值。

圖9 整體裝配圖