船舶主機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究

孫忠鵬，關(guān) 濤，李 楓

應(yīng)用研究

船舶主機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究

孫忠鵬，關(guān) 濤，李 楓

（中國人民解放軍92942部隊(duì)，北京 100161）

為有效利用主機(jī)余熱，提升燃料利用率，本文利用熱電材料自身的塞貝克效應(yīng)，直接進(jìn)行熱能-電能的轉(zhuǎn)換。對(duì)比了溫差發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了在船舶應(yīng)用上的關(guān)鍵技術(shù)及制約因素，并提出一種典型的船舶主機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)方案，可有效提升一次能源發(fā)電效率，降低船舶對(duì)燃料資源的依賴度。

主機(jī)余熱 溫差發(fā)電熱電材料 效率

0 引言

船舶柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等主機(jī)很大一部分能量以煙氣形式通過排煙管道釋放出去，造成資源浪費(fèi)。如何有效利用這部分余熱能量，進(jìn)一步提升一次能源的利用效率，已成為船舶動(dòng)力電力系統(tǒng)發(fā)展所面臨的重要問題。傳統(tǒng)的余熱利用技術(shù)有動(dòng)力渦輪、朗肯循環(huán)、吸收式和吸附式制冷回收等，能夠?qū)Σ糠钟酂徇M(jìn)行有效利用。然而其相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如朗肯循環(huán)汽輪機(jī)含有膨脹機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鞯仍O(shè)備，較為復(fù)雜且笨重；額外的能量轉(zhuǎn)化步驟，如動(dòng)力渦輪技術(shù)存在熱能-機(jī)械能-電能的多步轉(zhuǎn)換，會(huì)帶來額外排放；存在冷凝器、蒸發(fā)器等大型設(shè)備，從而導(dǎo)致其運(yùn)維成本高且容錯(cuò)率低等問題，這些都阻礙了其在船舶主機(jī)余熱利用領(lǐng)域的發(fā)展。基于熱電材料的溫差發(fā)電技術(shù)，利用熱電材料自身的塞貝克效應(yīng)[1]，通過主機(jī)高溫?zé)煔夤艿琅c外壁冷卻介質(zhì)之間形成的溫差可直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，具有有噪聲小、維護(hù)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、直接進(jìn)行熱能-電能的轉(zhuǎn)換等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，同時(shí)可有效減少排煙管路向艙室的散熱量，符合未來船舶主機(jī)低排放、綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢。

1 溫差發(fā)電技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外基于熱電材料的溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其在汽車行業(yè)，內(nèi)諾卡車及沃爾沃公司在排量2.0升的柴油發(fā)電機(jī)上安裝的溫差發(fā)電裝置可輸出130瓦功率；大眾汽車公司開發(fā)的溫差發(fā)電器可產(chǎn)生600瓦電能；美國的Kumar等人采用矩形排氣通道的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置，獲得發(fā)電系統(tǒng)效率約為3.3%；2018年韓國Kim等人采用六邊形的汽車尾氣余熱溫差發(fā)電裝置，最大輸出功率為98.8瓦，輸出效率為2.6%。船舶領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)研究多以仿真模擬為主。日本東京大學(xué)建立了回收利用船舶余熱的溫差發(fā)電裝置，分析了溫差發(fā)電技術(shù)在船舶運(yùn)行的可行性，可產(chǎn)生600瓦的電能；法國原子能與可替代能源委員會(huì)設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)測試臺(tái)，用來模擬溫差發(fā)電裝置在船舶主機(jī)工作點(diǎn)上的性能，但是能量轉(zhuǎn)化效率最高僅有0.4%；美國海軍已立項(xiàng)并委托葉輪機(jī)械公司與緬因海運(yùn)學(xué)院合作，將余廢熱利用技術(shù)應(yīng)用于船舶的渦輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)最早上世紀(jì)九十年代末開始，運(yùn)用熱電發(fā)電技術(shù)回收排氣管余熱，以國產(chǎn)解放141汽車為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，針對(duì)排氣余熱分析熱電發(fā)電可行性，最終輸出功率為300瓦，但是存在熱電轉(zhuǎn)換效率低的問題。目前國內(nèi)主要有711所、武漢理工大學(xué)、大連海事大學(xué)和集美大學(xué)、西安交通大學(xué)等在船舶排氣余熱發(fā)電方面具有深入的研究并取得一定的進(jìn)展。711所設(shè)計(jì)了一款船用柴油機(jī)排氣余熱溫差發(fā)電裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明熱電效率在1.31～2.16%之間。武漢理工大學(xué)建立了船舶余熱溫差發(fā)電的有限元模型，對(duì)于主機(jī)功率3300千瓦的船舶，計(jì)算出船舶發(fā)電柴油機(jī)煙氣余熱發(fā)電總發(fā)電量可達(dá)2.3千瓦。大連海事大學(xué)對(duì)以船用WD615柴油機(jī)煙氣余熱為熱源的溫差發(fā)電進(jìn)行了研究，所設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電裝置采用902片溫差發(fā)電片，通過計(jì)算得出發(fā)電裝置的效率為1.14％，可輸出的最大功率為603.4瓦。集美大學(xué)以船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，建立了煙氣管的三維模型和熱電模塊仿真模型，對(duì)煙氣余熱溫差發(fā)電性能進(jìn)行了仿真模擬，最大輸出功率可達(dá)705.6瓦，系統(tǒng)效率不足1％。西安交通大學(xué)圍繞高性能溫差發(fā)電器件及余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行大量研究，針對(duì)船舶主機(jī)余熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，其最高系統(tǒng)效率理論上可達(dá)到6%，并已研制出500瓦的余熱發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。

目前的船舶領(lǐng)域基于熱電材料的溫差發(fā)電裝置發(fā)電功率僅在百瓦級(jí)，絕大部分余熱利用裝置的系統(tǒng)效率很低，與工程應(yīng)用有著較大距離。從發(fā)展趨勢來看，民用領(lǐng)域?qū)τ酂岚l(fā)電這種新型能量利用方式有著較為強(qiáng)烈的需求，國內(nèi)外大量科研機(jī)構(gòu)和公司都在積極研究和開發(fā)高性能的余熱發(fā)電裝置。

2 溫差發(fā)電基本原理和船舶應(yīng)用方案分析

2.1 基本原理

溫差發(fā)電的原理如圖1所示，把p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體頂部相連形成接頭，接頭一端有一熱源進(jìn)行加熱。此時(shí)空穴和電子這兩種類型的載流子均從熱端漂移到冷端，在兩基體電極處形成溫差電動(dòng)勢，加入負(fù)載便可形成閉合回路[3]。

圖1 溫差發(fā)電原理圖

2.2 船舶應(yīng)用方案分析

典型的余熱發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示，該發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱裝置、溫差發(fā)電模塊、冷卻裝置、電能控制與管理模塊等部分組成。該系統(tǒng)可對(duì)船舶柴油發(fā)電機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)高溫?zé)煔馀欧胚^程中攜帶的熱量進(jìn)行回收并用于發(fā)電。

圖2 船舶主機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)總體方案圖

通過在船舶上主機(jī)排煙管道外壁安裝由高導(dǎo)熱金屬構(gòu)成的集熱裝置，并在集熱裝置外表面敷設(shè)大量溫差發(fā)電器件，該集熱裝置可將煙氣所攜帶的熱量直接傳遞至溫差發(fā)電器件。同時(shí)，溫差發(fā)電器件的另一面（冷端）則與水冷散熱板進(jìn)行緊固接觸，根據(jù)散熱板內(nèi)部連通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可利用船上淡/海水進(jìn)行高效冷卻，通過控制外部專用水泵或船用冷卻系統(tǒng)旁路水閘實(shí)現(xiàn)冷水流速控制，可維持在較低溫度。此時(shí)在溫差發(fā)電器件高溫（集熱裝置）與低溫端（散熱板）形成溫差，根據(jù)熱電材料的塞貝克效應(yīng)在閉合的電路中會(huì)產(chǎn)生電壓和電流。

2.3 余熱回收裝置技術(shù)方案

集熱裝置以及溫差發(fā)電模塊構(gòu)成了余熱回收裝置，是溫差發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，相當(dāng)于電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組，如圖3所示。

圖3 筒式結(jié)構(gòu)的余熱回收裝置示意圖

采用圓筒結(jié)構(gòu)的直貼余熱發(fā)電裝置，在排氣管外部加裝一個(gè)正六棱柱余熱收集裝置，側(cè)平面用于布置溫差發(fā)電器件，發(fā)電器件上方加裝水冷板作為冷端，采用分段結(jié)構(gòu)溫差發(fā)電片，在低溫端選用Bi2Te3材料，高溫端采用Half-Heusler材料[4]，溫差發(fā)電片的大小為40 mm×40 mm，余熱收集裝置主體材料選用導(dǎo)熱性能較好的金屬銅，為盡可能減小溫差發(fā)電模塊和管道之間的傳熱距離，降低余熱收集裝置徑向的溫度[5]。

假設(shè)排煙管排氣煙管外徑約為220 mm，內(nèi)徑約為200 mm，為估算余熱回收裝置的表面溫度，采用Ansys軟件來進(jìn)行建模仿真，設(shè)定煙氣溫度保持在500 ℃，煙氣在管道中流速為30 m/s，通過Ansys進(jìn)行仿真，可得余熱回收裝置的溫度分布如圖4所示，側(cè)表面平均溫度約為350℃，相較于煙氣溫度有150℃的溫度降。冷端采用30℃時(shí)，單個(gè)溫差發(fā)電片的輸出電壓和輸出功率分別為4.2 V和12 W。假設(shè)所需輸出功率為1 kW，此時(shí)至少需要分段結(jié)構(gòu)溫差發(fā)電片約90片，裝置長度約為800 mm。

圖4 余熱回收裝置溫度分布圖

考慮到單個(gè)溫差發(fā)電片輸出電壓有限，可通過大量器件串并聯(lián)的方式來提升輸出電壓及電流。對(duì)于溫差發(fā)電系統(tǒng)而言，高溫?zé)煔鈹y帶的部分熱量Q通過集熱裝置進(jìn)入溫差發(fā)電器件中，大量溫差發(fā)電器件將溫差能轉(zhuǎn)換為電能，輸出電功率為P，則該系統(tǒng)的熱發(fā)電效率為=P/Q。

3 船舶應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

溫差發(fā)電應(yīng)用于船舶上的主要關(guān)鍵技術(shù)有高性能溫差發(fā)電器件設(shè)計(jì)與制備、高效熱能傳遞與利用、電能控制與能量存儲(chǔ)等三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1）高性能溫差發(fā)電器件設(shè)計(jì)與制備

溫差發(fā)電器件設(shè)計(jì)與制備技術(shù)直接決定了系統(tǒng)的最佳理想轉(zhuǎn)換效率，為了實(shí)現(xiàn)高性能器件封裝制備，需要對(duì)熱電材料、器件結(jié)構(gòu)、界面工藝、部件加工處理等進(jìn)行深入研究?？梢圆捎美碚撚?jì)算手段對(duì)高性能熱電材料進(jìn)行參數(shù)評(píng)估與材料性能優(yōu)化，結(jié)合球磨-燒結(jié)、化學(xué)法等不同材料合成工藝對(duì)熱電材料進(jìn)行試制[3]，并利用材料性質(zhì)測量設(shè)備對(duì)樣品材料進(jìn)行表征分析，確定適用于船舶余熱系統(tǒng)的高性能中高溫?zé)犭姴牧稀Ｗ罱K利用器件建模方法對(duì)器件結(jié)構(gòu)及部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加工制備相應(yīng)溫差發(fā)電器件并用于余熱發(fā)電系統(tǒng)。為了最大化提升器件的輸出性能，可采用多級(jí)溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱能的高效利用。

2）高效熱能傳遞與利用

由于船舶主機(jī)的排氣溫度高，目前可商購的溫差發(fā)電模塊大多無法耐受高溫，或者由于材料問題其熱電轉(zhuǎn)化效率低，無法充分利用余熱；同時(shí)由于溫差發(fā)電裝置中的集熱器、散熱器設(shè)計(jì)仍不合理，調(diào)理電路損耗較高等問題，目前大多數(shù)余熱發(fā)電裝置存在輸出功率較低、電壓波動(dòng)較大、熱電轉(zhuǎn)換效率較低以及可靠性較差等問題。

3）電能控制與能量存儲(chǔ)

溫差發(fā)電器件輸出的電能須通過電能控制與管理模塊最終匯入低壓母排或者蓄電池組。由于溫差發(fā)電器件輸出電壓較低，且隨船舶主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生波動(dòng)，如直接為負(fù)荷供電，則所用電纜承載電流較大，將對(duì)周圍沿線設(shè)備造成電磁干擾及潛在威脅。因此需要對(duì)該輸出電壓進(jìn)行升壓及穩(wěn)壓處理，同時(shí)多余的電能可通過儲(chǔ)能部件進(jìn)行存儲(chǔ)。穩(wěn)壓后產(chǎn)生的直流電再次逆變?yōu)?20 V交流電為低壓負(fù)荷供電。

4 結(jié)束語

基于熱電材料的溫差發(fā)電技術(shù)作為將余廢熱資源轉(zhuǎn)換為電能從而增加燃料效率的一種可行方案，可有效提升一次能源發(fā)電效率，降低船舶對(duì)燃料資源的依賴度，同時(shí)作為節(jié)能減排的有效手段備受世界各國關(guān)注，目前各國均在積極開展余熱利用與發(fā)電技術(shù)研究。為進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，提高轉(zhuǎn)換效率、降低成本、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是下一步重點(diǎn)研究方向。

[1] 鄭藝華, 馬永志. 溫差發(fā)電技術(shù)及其在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 節(jié)能技術(shù), 2006, 24(02): 142-146.

[2] 褚澤. 廢熱半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)[D].重慶: 重慶大學(xué), 2008.

[3] 王統(tǒng)才. 中低溫余熱回收利用溫差發(fā)電系統(tǒng)研究. 華東理工大學(xué), 2017.

[4] 王怡心, 馬勤, 賈建剛, 高昌琦, 張瑄瑄. Half-Heusler熱電材料性能優(yōu)化策略及研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2019, 33(z1): 403-407.

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Research on waste heat thermoelectric power generation technology of marine main engine

Sun Zhongpeng, Guan Tao, Li Feng

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China)

U665.1

A

1003-4862（2022）05-0029-03

2021-09-24

孫忠鵬(1988-)，男，工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail: fengernotbad@qq.com