船舶溫差發(fā)電裝置性能分析

凌君誼

（上海海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200120）

在環(huán)境污染不斷加劇的嚴(yán)峻形勢(shì)下，節(jié)能環(huán)保需求日趨突出，如何在綠色環(huán)保的前提下更加高效地利用能源是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。海運(yùn)業(yè)承載了全球90%以上的商品貿(mào)易貨運(yùn)量，船舶作為其主要載體，存在能耗較大、余熱浪費(fèi)嚴(yán)重的弊端。據(jù)統(tǒng)計(jì)，能耗占船舶運(yùn)營(yíng)總成本的比例如下：小型運(yùn)輸船為25%～30%，定期客貨船約為35%，散貨船約為50%，油船約為60%[2]。

溫差發(fā)電溫差熱發(fā)電技術(shù)是一種利用高、低溫?zé)嵩粗g的溫差，采用低沸點(diǎn)工作流體作為循環(huán)工質(zhì)，在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上，用高溫?zé)嵩醇訜岵⒄舭l(fā)循環(huán)工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)透平發(fā)電的技術(shù)，是一種綠色能源技術(shù)，具有可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能等諸多優(yōu)點(diǎn)，在廢熱回收利用領(lǐng)域的前景十分廣闊[3-5]。

從現(xiàn)有的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，學(xué)者的研究主要集中在如何提升溫差發(fā)電片的發(fā)電效率。溫差發(fā)電片的性能研究參差不齊，所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大?；谀壳皽夭畎l(fā)電裝置在船舶余熱回收方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和不足，本文研究了熱端溫度、安裝壓力、冷卻方式、導(dǎo)熱硅脂和擾流方式對(duì)溫差發(fā)電的影響規(guī)律。

1 溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

溫差發(fā)電模塊發(fā)電效率測(cè)試平臺(tái)主要包括溫差發(fā)電模塊、熱源裝置、冷源裝置、安裝壓力調(diào)節(jié)裝置、輸出電流測(cè)量裝置、輸出電壓測(cè)量裝置、輸出功率測(cè)量裝置、外接負(fù)載調(diào)節(jié)裝置及溫度測(cè)量裝置等。

溫差發(fā)電模塊如圖1 所示，詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

圖1 溫差發(fā)電片

表1 溫差發(fā)電片詳細(xì)參數(shù)

工作條件：冷端溫度30 ℃，熱端溫度200 ℃。

圖2 為熱源裝置外形圖，詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。冷源裝置分為鋁合金水冷板和恒溫冷卻水浴機(jī)，如圖3所示，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 冷源裝置詳細(xì)參數(shù)

圖3 冷源裝置

表2 熱源裝置詳細(xì)參數(shù)

圖2 熱源裝置

安裝壓力調(diào)節(jié)裝置主要由氣動(dòng)沖床和空氣壓縮機(jī)組成，如圖4 所示，通過(guò)調(diào)節(jié)氣動(dòng)沖床對(duì)溫差發(fā)電模塊所施加的安裝壓力，從而研究不同安裝壓力下的發(fā)電性能。

圖4 壓力裝置圖

功率測(cè)試儀裝置如圖5 所示，其采用納普高精度功率計(jì)測(cè)試儀來(lái)測(cè)量溫差發(fā)電模塊的發(fā)電性能，詳細(xì)參數(shù)如表4 所示。

表4 功率測(cè)試儀裝置詳細(xì)參數(shù)

圖5 功率測(cè)試儀裝置圖

熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊如圖6 所示，其采用美國(guó)歐米茄八通道USB 熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊，詳細(xì)參數(shù)如表5 所示。

表5 熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊詳細(xì)參數(shù)

圖6 熱電偶數(shù)據(jù)采集模塊

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

利用本實(shí)驗(yàn)裝置主要測(cè)量溫差發(fā)電模塊在不同外界條件下的發(fā)電性能，環(huán)境溫度為10 ℃，外界影響條件主要包括熱源溫度、冷卻方式、安裝壓力、界面?zhèn)鳠岬取?shí)驗(yàn)條件匯總?cè)绫? 所示。

表6 溫差發(fā)電模塊性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)中采取3 種不同安裝壓力，并保持壓力不變，且在不同組的實(shí)驗(yàn)中安裝壓力逐次遞增。設(shè)置冷源裝置，本文采用風(fēng)冷和水冷2 種冷卻方式。當(dāng)采用水冷時(shí)為保持溫差發(fā)電片冷端溫度恒定，在實(shí)驗(yàn)階段設(shè)定水浴的溫度為20 ℃。如果采用風(fēng)冷方式，此時(shí)主要靠散熱翅片的對(duì)流換熱對(duì)溫差發(fā)電模塊進(jìn)行冷卻。設(shè)定溫差發(fā)電裝置的熱源溫度，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定了100 ℃、140 ℃和180 ℃這3 種溫度。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)裝置達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)記錄，所記錄的實(shí)驗(yàn)參數(shù)主要包括熱端溫度、冷端溫度、開(kāi)路電壓、負(fù)載電壓、負(fù)載功率等。為降低實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差，記錄上述參數(shù)10 次，每次記錄間隔1 min，最后取10 次平均值進(jìn)行計(jì)算分析。

2 溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由溫差發(fā)電機(jī)理可知，溫差是影響發(fā)電模塊發(fā)電性能的最主要因素。本文分別研究了熱端溫度為100 ℃、140 ℃和180 ℃，安裝壓力分別選取0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 條件下溫差發(fā)電模塊的發(fā)電性能。其他實(shí)驗(yàn)條件為水冷、無(wú)硅脂。在此實(shí)驗(yàn)條件下開(kāi)路電壓和輸出功率與熱源溫度之間的關(guān)系如圖7 所示。安裝壓力對(duì)開(kāi)路電壓和輸出功率的影響如圖8 所示。恒定條件為水冷、無(wú)導(dǎo)熱硅。

圖7 熱源溫度對(duì)開(kāi)路電壓和輸出功率的影響

圖8 安裝壓力對(duì)開(kāi)路電壓和輸出功率的影響

由圖7 可知，開(kāi)路電壓隨熱源溫度升高而升高且基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。當(dāng)安裝壓力為0.3 MPa、熱源溫度為100 ℃、140 ℃和180 ℃時(shí)，發(fā)電模塊開(kāi)路電壓分別為23.62 Ⅴ、31.14 Ⅴ和38.35 Ⅴ，熱源溫度為140 ℃、180 ℃時(shí)與100 ℃相比開(kāi)路電壓的增長(zhǎng)率分別為31.8%和62.4%。

與開(kāi)路電壓趨勢(shì)相同，最大輸出功率隨熱源溫度的升高而升高。當(dāng)安裝壓力為0.3 MPa、熱源溫度為100 ℃、140 ℃和180 ℃時(shí)，發(fā)電模塊最大輸出功率分別為4.85 W、8.09 W 和10.95 W，熱源溫度為140 ℃、180 ℃時(shí)與100 ℃相比最大輸出功率增長(zhǎng)率分別為66.8%和125.8%。由于安裝壓力可以在一定程度上增強(qiáng)界面?zhèn)鳠?，而且?qiáng)化界面?zhèn)鳠峥梢詼p少溫差發(fā)電模塊冷、熱端與冷熱源之間的傳熱溫差，從而提高溫差發(fā)電模塊冷、熱端溫差繼而提高溫差發(fā)電性能。

由圖8 可知，當(dāng)熱源溫度為180 ℃、安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 時(shí)，溫差發(fā)電模塊對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓分別為36.29 Ⅴ、37.23 Ⅴ和38.35 Ⅴ，安裝壓力為0.2 MPa、0.3 MPa 時(shí)，與0.1 MPa 相比安裝壓力增長(zhǎng)率分別為2.59%和5.68%。

與開(kāi)路電壓趨勢(shì)相同，溫差發(fā)電裝置最大輸出功率隨安裝壓力的升高而升高。當(dāng)熱源溫度設(shè)為180 ℃、安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 時(shí)，該裝置最大輸出功率分別為9.71 W、10.30 W 和10.95 W，安裝壓力為0.2 MPa、0.3 MPa 時(shí)，與0.1 MPa 相比最大輸出功率增長(zhǎng)率分別為6.08%和12.77%。隨著安裝壓力增大，溫差發(fā)電模塊與冷、熱源之間的界面?zhèn)鳠嵝Ч麜?huì)增強(qiáng)，從而擴(kuò)大模塊冷熱端溫差，進(jìn)而使開(kāi)路電壓輸出值增大。在無(wú)硅脂、安裝壓力為0.3 MPa 的實(shí)驗(yàn)條件下，采用風(fēng)冷和水冷2 種冷卻方式，開(kāi)路電壓和輸出功率隨熱源溫度的變化規(guī)律如圖9、圖10 所示，恒定條件為安裝壓力為0.3 MPa，無(wú)導(dǎo)熱硅脂。不同的熱源溫度下采用水冷的開(kāi)路電壓較風(fēng)冷方式有顯著提升。

圖10 水冷對(duì)輸出功率的影響

由圖9 可知，當(dāng)熱源溫度為100 ℃時(shí)，水冷與風(fēng)冷相比較開(kāi)路電壓由15.82 Ⅴ提升至23.62 Ⅴ，提升了49.3%。當(dāng)熱源溫度為140 ℃時(shí)，水冷與風(fēng)冷相比較開(kāi)路電壓由20.63 Ⅴ提升至31.14 Ⅴ，提升了50.9%。當(dāng)熱源溫度為180 ℃時(shí)，水冷與風(fēng)冷相比較開(kāi)路電壓由24.96 Ⅴ提升至38.35 Ⅴ，提升了53.6%。

圖9 水冷對(duì)開(kāi)路電壓的影響

由圖10 可知，當(dāng)熱源溫度為100 ℃時(shí)，水冷與風(fēng)冷相比較輸出功率由2.19 W 提升至4.85 W，提升了121.5%。當(dāng)熱源溫度為140 ℃時(shí)，水冷與風(fēng)冷相比較輸出功率由3.54 W 提升至8.09 W，提升了128.5%。當(dāng)熱源溫度為180℃時(shí)，水冷與風(fēng)冷相比較輸出功率由4.41 W 提升至10.95 W，提升了148.3%。

在不同的熱源溫度下冷端溫度隨冷卻方式的變化規(guī)律如圖11 所示，恒定條件為安裝壓力0.3 MPa，無(wú)導(dǎo)熱硅脂。當(dāng)熱源溫度分別為100 ℃、140 ℃和180 ℃時(shí)，采用風(fēng)冷所對(duì)應(yīng)的冷端溫度分別為63.9 ℃、93.15 ℃和112.16 ℃，而采用水冷所對(duì)應(yīng)的冷端溫度分別為20.1 ℃、23.5 ℃和31.2 ℃。采用風(fēng)冷方式無(wú)法及時(shí)散失冷端熱量是導(dǎo)致溫差發(fā)電片性能較差的主要原因。

圖11 風(fēng)冷和水冷對(duì)冷端溫度的影響

當(dāng)熱源溫度為140 ℃、冷源溫度為20 ℃條件下，涂抹導(dǎo)熱硅脂后對(duì)開(kāi)路電壓和輸出功率的影響如圖12、圖13 所示，恒定條件為熱源溫度140 ℃，冷源溫度為20 ℃。

圖12 導(dǎo)熱硅脂對(duì)開(kāi)路電壓的影響

圖13 導(dǎo)熱硅脂對(duì)輸出功率的影響

由圖12 可知，當(dāng)安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 M P a 時(shí)，涂抹導(dǎo)熱硅脂后開(kāi)路電壓分別由30.18 Ⅴ，30.97 Ⅴ和31.14 Ⅴ提升至44.06 Ⅴ、44.28 Ⅴ和44.48 Ⅴ，分別提升了46.0%、43.0%和42.8%。

由圖13 可知，當(dāng)安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa和0.3 MPa 時(shí)，涂抹導(dǎo)熱硅脂后輸出功率分別由7.54 W、7.85 W 和8.09 W 提升至17.9 W、18.1 W 和18.21 W，分別提升了137.4%、130.6%和125.1%。由于溫差發(fā)電片冷、熱端面與冷熱源之間存在接觸熱阻，影響三者之間的熱傳遞。在干接觸狀態(tài)下由于兩接觸表面之間會(huì)存在空隙，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，從而會(huì)增大接觸熱阻，進(jìn)而減少熱源向溫差發(fā)電片熱端和溫差發(fā)電片冷端向冷源之間熱傳遞。通過(guò)涂抹導(dǎo)熱硅脂的方式可以消除兩固體接觸表面之間的微空隙，進(jìn)而增強(qiáng)傳熱。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在涂抹導(dǎo)熱硅脂后，開(kāi)路電壓基本不隨安裝壓力的升高而變化。這是因?yàn)楫?dāng)涂抹導(dǎo)熱硅脂后，硅脂與固體表面潤(rùn)濕性較好，可以有效地消除兩接觸表面之間微空隙，此時(shí)增加安裝壓力也不會(huì)進(jìn)一步顯著提升界面?zhèn)鳠嵝Ч?/p>

3 船用溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了測(cè)試船用溫差發(fā)電裝置性能，本文設(shè)計(jì)了如圖14 所示的測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用工業(yè)熱風(fēng)機(jī)作為熱源模擬柴油機(jī)尾氣參數(shù)，利用波紋管將工業(yè)熱風(fēng)機(jī)與溫差發(fā)電裝置原型機(jī)相連接組成封閉循壞系統(tǒng)。

圖14 船用溫差發(fā)電裝置

本文所采用的擾流裝置分為單頭螺旋葉片擾流裝置和雙頭螺旋葉片擾流裝置，如圖15 所示。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將擾流裝置插入方箱內(nèi)，此時(shí)在擾流裝置的作用下，進(jìn)入方箱的熱空氣會(huì)螺旋前進(jìn)，熱空氣在螺旋前進(jìn)過(guò)程中會(huì)與方箱四壁發(fā)生碰撞，從而增加對(duì)流換熱系數(shù)。

圖15 擾流裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在測(cè)試裝置中利用工業(yè)熱風(fēng)機(jī)的設(shè)定溫度來(lái)模擬船舶尾氣溫度。根據(jù)目前船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)的排煙溫度，3 片為一組，16 組串聯(lián)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定工業(yè)熱風(fēng)機(jī)的溫度分別為300 ℃、350 ℃和400 ℃，然后測(cè)量原型機(jī)法的發(fā)電性能。冷、熱端面溫度隨熱風(fēng)機(jī)出口溫度的變化關(guān)系如圖16所示，恒定條件為無(wú)擾流。當(dāng)熱風(fēng)機(jī)出口溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的熱端溫度為96.5 ℃、106.9 ℃和123.0 ℃，對(duì)應(yīng)的冷端溫度為36.6 ℃、41.2 ℃和48.1 ℃，兩者之間溫差分別為59.9 ℃、65.7 ℃和74.9 ℃，說(shuō)明在此種結(jié)構(gòu)下熱空氣無(wú)法通過(guò)有效對(duì)流換熱將熱量傳遞給溫差發(fā)電片。

圖16 熱風(fēng)機(jī)出口溫度對(duì)冷、熱端溫度的影響

熱風(fēng)機(jī)出口溫度對(duì)輸出電壓、功率的影響如圖17所示，恒定條件為無(wú)擾流。由圖17 可知，開(kāi)路電壓隨熱風(fēng)機(jī)溫度升高而升高且基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)規(guī)律。當(dāng)無(wú)擾流、熱風(fēng)機(jī)溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時(shí)，溫差發(fā)電裝置開(kāi)路電壓分別為13.68 Ⅴ、14.92 Ⅴ和16.74 Ⅴ，與熱源溫度為300 ℃相比增長(zhǎng)率分別為9.06%和22.37%。此時(shí)輸出電壓小于圖10 中的輸出電壓，這是因?yàn)槎嗥M合在一起，冷卻效果變差。

圖17 熱風(fēng)機(jī)出口溫度對(duì)輸出電壓、功率的影響

與開(kāi)路電壓趨勢(shì)相同，溫差發(fā)電裝置原型機(jī)的最大輸出功率隨熱風(fēng)機(jī)出口溫度的增加呈現(xiàn)線(xiàn)性增加趨勢(shì)，當(dāng)熱風(fēng)機(jī)出口溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的最大輸出功率分別為20.19 W、25.92 W 和31.85 W，熱風(fēng)機(jī)出口溫度為350 ℃、400 ℃時(shí)，與300 ℃相比最大輸出功率增長(zhǎng)率分別為28.38%和57.75%。與圖7 相比，該輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于溫差發(fā)電片的額定輸出功率，其原因主要是熱空氣的能量不能有效傳遞給溫差發(fā)電片。

添加擾流裝置后溫差發(fā)電裝置開(kāi)路電壓與熱風(fēng)機(jī)出口溫度的變化規(guī)律如圖18 所示。當(dāng)熱風(fēng)機(jī)溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時(shí)，單頭螺旋葉片擾流開(kāi)路電壓分別為16.9 Ⅴ、19.1 Ⅴ和20.89 Ⅴ，單頭螺旋葉片擾流與無(wú)擾流相比開(kāi)路電壓增長(zhǎng)率分別為23.54%、28.02%和24.79%。添加擾流裝置與無(wú)擾流裝置相比開(kāi)路電壓有顯著提升，同時(shí)發(fā)現(xiàn)單頭螺旋葉片擾流效果好。

圖18 擾流對(duì)輸出電壓的影響

添加擾流裝置溫差發(fā)電裝置輸出功率與熱風(fēng)機(jī)出口溫度的變化規(guī)律如圖19 所示。當(dāng)熱風(fēng)機(jī)溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時(shí)，單頭螺旋葉片擾流輸出功率分別為32.7 W、40.52 W 和47.54 W，單頭螺旋葉片擾流與無(wú)擾流相比輸出功率增長(zhǎng)率分別為61.96%、56.33%和49.26%。與開(kāi)路電壓變化規(guī)律相似，添加擾流裝置與無(wú)擾流裝置相比輸出功率有顯著提升，同時(shí)發(fā)現(xiàn)單頭螺旋葉片擾流效果比雙頭螺旋葉片擾流效果好。由于擾流裝置促進(jìn)了熱空氣與方箱內(nèi)壁之間的熱交換，從而提升溫差發(fā)電裝置熱端溫度。

圖19 擾流對(duì)輸出功率的影響

4 結(jié)論

研究表明，水冷比風(fēng)冷發(fā)電性能好，安裝壓力對(duì)裝置的性能影響較小，導(dǎo)熱硅脂和熱源溫度對(duì)裝置的性能影響較大。由于水冷可以為溫差發(fā)電裝置提供恒定的冷源溫度，但是需要額外布置制冷裝置、循環(huán)水泵及相應(yīng)管系并且會(huì)消耗電能。風(fēng)冷只需將散熱翅片安裝在溫差發(fā)電模塊冷端即可，它是依靠自然對(duì)流換熱對(duì)冷端進(jìn)行冷卻，因此其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、無(wú)需后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)及不需要額外消耗能源等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)熱風(fēng)機(jī)溫度為300 ℃時(shí)，使用單頭螺旋葉片擾流時(shí)，裝置的最大功率達(dá)到47.54 W。