應用于電站鍋爐再熱器的新型溫差發電裝置的研究設計

尤 運

上海市節能減排中心有限公司

0 引言

電力是一個國家國民經濟能否健康、穩定發展的重要能源保障，目前全球發電形式主要為火力發電、水力發電和核能發電，其中中國、美國、俄羅斯、英國等以火力發電為主，其發電量所占比重均為60%以上，我國火力發電裝機規模更是躍居世界第一，可見火力發電還是目前乃至將來相當長一段時間內的主要發電方式[1]。火力發電主要依靠煤炭，但傳統的化石燃料在發電過程中通常效率很低，一般為火電廠發電效率為40%左右。這是由于在火電廠朗肯循環（如圖1所示）中大量的能量損失存在于鍋爐部分，是高溫煙氣溫度和高壓蒸汽溫度之間的溫度差造成的。

現代燃煤電站鍋爐爐內燃燒溫度高達1 500℃左右，而高溫高壓受熱面溫度一般在500℃以下，在爐內的不同區域煙溫與受熱面內工質的溫差高達幾百攝氏度以上，再熱器區域也是如此[2,3]。根據熱力學第二定律，傳熱溫差越大引起的不可逆損失越大，?損越大，機組的經濟性會變差[4]。若傳熱溫差能被利用，將有效地減少傳熱過程中的能量損失，提高基于朗肯循環的火電廠發電效率。因此，加強節能、提高能源利用率已成為我國乃至全球火力發電領域的一個重要課題。

圖1 基于朗肯循環原理發電的結構示意圖

在節能減排的新時代背景下，隨著科學技術的快速發展，半導體溫差發電技術為提高能源利用效率的方案提供了思路。半導體溫差發電技術具有結構簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪聲、無污染、使用壽命長、易于控制等優點，是一種綠色環保的發電技術[5]，其在鋼鐵余熱發電、汽車尾氣回收利用、邊遠地區供電、太陽能溫差發電、空間探索等多個領域被廣泛應用[6-8]。

由于電站鍋爐整體結構特殊，爐膛內部有熱源產生高溫，同時再熱器作為受熱面相對為低溫狀態，因此在鍋爐再熱器處直接進行熱電轉換的溫差條件即可滿足。目前國內外關于溫差發電技術應用于電站鍋爐的研究較少，據報道美國普渡大學和日本東京大學的學者進行了相關的理論研究，但尚未可以適用于生產現場的裝置。本文結合此項技術研究設計了一種應用于鍋爐再熱器的新型溫差發電裝置。

1 設計原理

半導體溫差發電[9]是基于熱電材料的塞貝克效應發展起來的一種發電技術，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料（P型是富空穴材料，N型是富電子材料）一端相連形成一個PN結，置于高溫狀態，另一端形成低溫，則由于熱激發作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，因此在此濃度梯度的驅動下，空穴和電子就開始向低溫端擴散，從而在回路中形成電動勢：

式中：T1為高溫端溫度，K；T2為低溫端溫度，K；S為所用熱電材料的賽貝克系數。

熱電材料通過高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉化成電能的過程，如圖2所示單獨的一個PN結，可形成的電動勢很小，而如果將很多這樣的PN結串聯起來，可以得到足夠高的電壓，成為一個溫差發電片，如圖3所示。

圖2 溫差發電原理示意圖

圖3 溫差發電片的結構示意圖

熱電材料作為溫差發電片的核心部分，其性能的好壞直接決定器件效能的優劣。在實際應用過程中，無量綱的優值ZT[10]是衡量熱電材料性能最重要的參數：

式中，σ為電導率，Ω-1·m-1；k為熱導率，W/(m·K)；T為溫度，K。

ZT值越高，材料的熱電性能越好，能量轉換效率越高。Bi2Te3室溫下ZT值約為1，是目前使用最廣泛的熱電材料，但是用其制成的溫差發電片發電效率依然低于10%。如果能把材料的ZT值提高到3左右，溫差發電將可以與傳統的發電方式相媲美[9]。隨著科技的進步以及材料合成技術的發展，高優值的新型熱電材料被不斷地積極尋找和開發，目前的研究熱點有：硫族層狀化合物熱電材料、鈷基氧化物熱電材料、納米超晶格熱電材料、金屬氧化物熱電材料等近年來主要熱電材料的發展趨勢圖[11]見圖4。

2 設計模型

為了更好地展示創意，本文研究設計了一種應用于鍋爐再熱器的新型溫差發電裝置的結構模型。溫差發電裝置的結構主視圖，如圖5所示。該裝置設置在鍋爐爐膛內，固定在再熱器上，主要構成為若干個溫差發電模塊1和其它組件。若干個溫差發電模塊1通過導線并聯，最后分別與鍋爐外的儲能裝置和輸電裝置連接；溫差發電模塊1的熱端與鍋爐豎直煙道的高溫煙氣接觸，冷端與鍋爐再熱器2連接。溫差發電裝置中溫差發電模塊的結構左視圖和俯視圖，分別如圖6和圖7所示，溫差發電模塊1包括依次連接的散熱板5、溫差發電片6、吸熱板7（其中溫差發電片6的熱端連接吸熱板，冷端連接散熱板），散熱板5與鍋爐再熱器2內的再熱器管4連接，吸熱板7連接的肋片或熱管8伸入到豎直煙道內。

圖5 溫差發電裝置的結構主視圖

圖6 溫差發電模塊的結構左視圖

圖7 溫差發電模塊(對)結構俯視圖

3 實施方式

當電站鍋爐正常運行時，豎直煙道內高溫煙氣經過溫差發電裝置，煙氣能量通過肋片或熱管8和吸熱板7吸收聚集到溫差發電片6熱端，經溫差發電片6傳遞給另一側的冷端，在經散熱板5傳遞給鍋爐再熱器管4內蒸汽和水的混合物。當整個過程達到相對平衡狀態時，溫差發電片6的熱端和冷端溫度趨于穩定，形成溫度差，基于熱電材料的塞貝克效應產生電能，并通過導線輸送給鍋爐外的儲能裝置和輸電裝置。

單個溫差發電模塊直接產生的電能是低壓直流，將若干溫差發電模塊用導線并聯起來，既可以解決由于單個溫差發電模塊損壞對整個裝置的影響，又可以提供高壓直流；如果進行儲能，經穩壓保護器調整后儲存；如果進行輸電，依次經逆變器、穩壓保護器調整后供電。

4 設計的優點

與現有的技術相比，該新型溫差發電裝置的優點：

（1）提高發電效率：散熱損失過大是半導體溫差發電效率低下的主要原因，也是阻礙該技術推廣的最大障礙。但對于鍋爐而言，由于其有可靠的保溫絕熱性能,如果在鍋爐再熱器上復合溫差發電模塊，溫差發電模塊的熱量除了直接轉化為電能外，剩余熱量傳遞給再熱器管內的工質，整個過程幾乎沒有能量浪費。采用在鍋爐再熱器上安裝溫差發電裝置，利用高溫煙氣溫度和高壓蒸汽的溫度之間較高的溫度差，通過熱電轉換產生額外的電能，有效降低了朗肯循環中大量的能量損失，預計能使火電廠總的發電效率提高約0.5%。

（2）提高吸熱率：通過在熱電模塊的熱端加設吸熱板，在冷端加設散熱板，吸熱板上設多組肋片或熱管，增加了與高溫煙氣的接觸面積，能有效提高吸熱率，使由于溫差發電裝置的加入，在增大傳熱熱阻的情況下，最小限度地影響鍋爐自身的朗肯循環，從而優化節能。

（3）提高熱量傳遞效率：本文通過在熱電模塊的熱端加設吸熱板，在冷端加設散熱板，使熱端快速吸熱，冷端快速散熱，提高熱量傳遞效率，從而增大冷、熱端的溫度差，使溫差發電模塊產生更大的發電功率。

5 發展前景及結論

半導體溫差發電技術雖然已經日趨成熟，本文研究設計的新型溫差發電裝置進行商業化應用還受限于當前的技術水平，如何在火電廠中得以高效運行還需進一步的探索。根據調研和研究分析，目前的主要問題集中在熱電材料（包括熱電轉換效率、耐溫性、耐磨性、耐腐蝕性、材料種類、價格等）、冷熱源的匹配、溫差發電模塊的傳熱性能優化、溫差發電系統對電廠發電效率的綜合影響等方面，國內外尚缺乏深入研究。

鑒于半導體溫差發電技術在提高火電廠發電效率方面具有較大的潛力，有必要匯集產、學、研、用等多方面力量對其進行深入探索，一旦該技術證明切實可行，則可以在不提高機組運行參數，不增加污染物與二氧化碳排放的前提下顯著增加機組效益，為進一步提升發電機組效率提供新的解決方案，創造更大的經濟效益。