基于溫差發電的船舶余熱利用系統節能設計

蔡之洲+鄭彤+聶偉民+程振+徐羅琳+葉林銳

[摘 ?要]筆者主要簡要介紹了溫差發電技術的工作原理和結構組成，在塞貝克效應基礎上，設計了一種發電模塊和電能管理模塊所組成的溫差發電裝置。接著闡述該設計在船舶領域上使用的原理。最后探討該系統設計的結構原理，探究系統與設計所能帶來的經濟收益，同時和別的節能設計相對比。

[關鍵詞]溫差發電;船舶余熱;節能設計

中圖分類號：U664.5 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0082-01

1 研究背景

19世紀初，國外學者塞貝克發現了塞貝克效應，在此基礎上，國外對溫差發電技術展開了大量研究。溫差發電技術的研究興起于上世紀的50年代，同時能夠在航天器上實現長時間的發電，為人類探索宇宙助力。不過一直以來，盡管該技術優點突出，卻因為為熱電轉換效率所阻礙（轉換效率通常低于12%）以及成本過高的原因，所以該技術基本只在汽車、航空、電力與軍事等工業領域使用，。

我國盡管對于半導體熱電制冷的理論與應用研究有了不少成效，不過在溫差發電方面的研究起步較晚，發展較差。按照塞貝克效應所制作的半導體溫差發電片，通過船舶中的余熱直接轉化為電能。船舶冷卻系統高溫冷卻器和低溫冷卻器之間的溫差與廢氣鍋爐中的廢氣與冷卻水之間的溫差讓發電片的兩極發電。因為單個發電片的發電功率不大，所以多個發電片聚集在一起后就能達到發電需求，產生的電能在穩壓后，就能被直接采用，或是并入船舶電網。

2 溫差發電原理

塞貝克效應

下圖是塞貝克效應的示意圖，此裝置能夠通過溫差直接產生電能。在P型（N型）半導體里，因為熱激發的作用極強，高溫段的空穴（電子）濃度超出了低溫段，在濃度梯度差的作用下空穴因為熱擴散的效果，會由高溫段往低溫段擴散，這樣半導體的兩側就產生了因為溫度梯度差所帶來的電動勢，即溫差電動勢，如此，塞貝克效應就出現了。半導體熱度安的載流子朝冷端擴散是造成塞貝克效應出現的重要因素。

半導體材料的優勢在于，其溫差優值超出金屬導體許多，目前在研究中和各領域所采取的溫差電材料基本以半導體為主，所以溫差發電技術也叫作半導體溫差發電。

一對由P型與N型半導體材料構成的電偶對就是最基礎的發電單元了，倘若將多個電偶對串聯，那么久構成半導體熱點對，也就是溫差發電模塊。半導體熱點對分為單級與多級，單級熱電堆中只有一個固定溫度的冷端與熱端。下圖是單級熱電堆的結構示意圖。

3 節能設計

從船舶柴油機的熱平衡角度出發，用在動力輸出方面的功率通常占到燃油燃燒總熱量的一半還不到，剩余的熱能排出占到燃燒總能量的一半還多，基本上以循環冷卻水和尾氣帶走的熱量為主。船舶余熱利用就是對柴油機工作時沒有轉化為有效使用的熱能展開回收，從而加強能源利用效率，節能能源使用。下表為船舶柴油機的熱平衡表

3.1 船舶余熱利用方式

船舶煙氣余熱盡管通過廢氣鍋爐已經完成了一次余熱的利用，不過通過廢氣鍋爐后的煙氣溫度還維持在三百攝氏度左右，這些熱量以傳統的技術手段無法利用，約有百分之三十五的熱量會直接排入大氣，不但浪費了這部分的熱量，還會造成環境污染，影響船舶柴油機使用的經濟效果。為了能夠充分使用余熱，在溫差發電原理基礎上，筆者認為有兩種途徑能夠實現該目的。

第一種途徑是把溫差發電片組成的陣列設置在柴油機的排氣管和冷卻水管中，通過廢氣與冷卻水間的溫差實現發電的目的。因為這樣的做法能夠直接利用廢氣里的熱量，因此發電效率極高。第二種途徑是把溫差發電片陣列直接放在船舶的淡水冷卻系統與海水冷卻系統間，通過淡水與冷卻海水間的溫差實現對余熱利用的目的，該法在效率上落后于第一種。

3.2 熱交換器

熱交換器在該節能設計中的目的是避免熱量的流失，維持高效的熱量傳導，實現熱量的有效利用。因為溫差發電片的發電功率是由溫差與熱流密度所決定的，所以選取這兩種常見的散熱器，把溫差發電片放在換熱器管道里，分別把冷熱兩種流體導進換熱器里，達到高效發電的目的。筆者在設計里把換熱器中的管子（下圖左）置換成雙層管式結構（下圖右），置換的目的在于，雙層管式的結構中，內外管子中都安放了溫差發電片，并用導熱硅膠填滿剩余空間，這種換熱器的管子能夠確保發電片的熱流密度，從而最大化的利用熱量。

4 性能對比和分析

4.1 經濟型分析計算

按照熱點與案例的工作數據來探究通過溫差發電片實現傳播余熱利用是否可行，接著筆者將使用具體數據來計算發電量的大小。以使用TEHP1-12656-0.3型號的發電片為例，每片安裝尺寸長款都為五十毫米，每平米能夠安裝該發電片240塊，嘉定海水溫度為三十攝氏度，廢氣溫度為三百攝氏度，每平米的發電功率為五千瓦，傳播每年工作時間為六千小時，每年發電量為31500KWh。

目前某型船發電機油耗為150g/KWh，每年能夠減少六噸因發電而使用的燃油，根據目前每噸7000元的油價計算，每年能夠減少42000元的燃油成本支出。該設計中的傳播余熱使用設備每平方米成本為30000元，在計算后得知，該設備投入使用后通過對余熱的利用使得成本減少，兩年后就能收回投資成本，兩年后開始盈利。

4.2 和現有船舶余熱利用技術的比較

該設計和目前船舶上常用的廢氣鍋爐、余熱汽輪機相比較，我們就能發現采用溫差發電裝置盡管對船舶柴油機余熱回收時的效率不如另外兩種裝置，但是其質量更輕、結構簡單以及低成本、少維護的優勢，使其具有高性價比的特質。所以，該設計用在船舶余熱利用方面有著更突出的優勢。

5 結語

該裝置是在塞貝克效應基礎上發展而來的，利用船舶柴油機長時間工作后所排出的余熱進行電力轉換，設計了溫差發電片的布置形式，達到對廢熱的有效利用的目的，加強了船舶柴油機的經濟型。筆者相信，隨著該技術的不斷發展與熱電轉換效率的加強，筆者的設計將會有更加廣泛的使用。

參考文獻：

[1] 石衛衛，鄧婳，吳智恒，等. 集裝箱船余熱回收系統中溫差發電模塊的熱電耦合分析[J]. 機械，2011（08） .

[2] 王樹剛，王如竹. 船舶余熱回收現狀及吸附制冷應用前景[J]. 中國修船， 2003（03）.