船舶主機余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究

孫忠鵬，關(guān) 濤，李 楓

應用研究

船舶主機余熱溫差發(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，北京 100161）

為有效利用主機余熱，提升燃料利用率，本文利用熱電材料自身的塞貝克效應，直接進行熱能-電能的轉(zhuǎn)換。對比了溫差發(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，降低船舶對燃料資源的依賴度。

主機余熱 溫差發(fā)電熱電材料 效率

0 引言

船舶柴油機、燃氣輪機等主機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。如何有效利用這部分余熱能量，進一步提升一次能源的利用效率，已成為船舶動力電力系統(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行有效利用。然而其相關(guān)設備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，如朗肯循環(huán)汽輪機含有膨脹機、蒸發(fā)器、冷凝器、回熱器等設備，較為復雜且笨重；額外的能量轉(zhuǎn)化步驟，如動力渦輪技術(shù)存在熱能-機械能-電能的多步轉(zhuǎn)換，會帶來額外排放；存在冷凝器、蒸發(fā)器等大型設備，從而導致其運維成本高且容錯率低等問題，這些都阻礙了其在船舶主機余熱利用領域的發(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[1]，通過主機高溫煙氣管道與外壁冷卻介質(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、維護成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、直接進行熱能-電能的轉(zhuǎn)換等諸多優(yōu)點[2]，同時可有效減少排煙管路向艙室的散熱量，符合未來船舶主機低排放、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%。船舶領域，相關(guān)技術(shù)研究多以仿真模擬為主。日本東京大學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設計并建造了一個測試臺，用來模擬溫差發(fā)電裝置在船舶主機工作點上的性能，但是能量轉(zhuǎn)化效率最高僅有0.4%；美國海軍已立項并委托葉輪機械公司與緬因海運學院合作，將余廢熱利用技術(shù)應用于船舶的渦輪機推進系統(tǒng)中。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)最早上世紀九十年代末開始，運用熱電發(fā)電技術(shù)回收排氣管余熱，以國產(chǎn)解放141汽車為實驗目標，針對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、大連海事大學和集美大學、西安交通大學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展。711所設計了一款船用柴油機排氣余熱溫差發(fā)電裝置，試驗結(jié)果表明熱電效率在1.31～2.16%之間。武漢理工大學建立了船舶余熱溫差發(fā)電的有限元模型，對于主機功率3300千瓦的船舶，計算出船舶發(fā)電柴油機煙氣余熱發(fā)電總發(fā)電量可達2.3千瓦。大連海事大學對以船用WD615柴油機煙氣余熱為熱源的溫差發(fā)電進行了研究，所設計的溫差發(fā)電裝置采用902片溫差發(fā)電片，通過計算得出發(fā)電裝置的效率為1.14％，可輸出的最大功率為603.4瓦。集美大學以船用中速柴油機為研究對象，建立了煙氣管的三維模型和熱電模塊仿真模型，對煙氣余熱溫差發(fā)電性能進行了仿真模擬，最大輸出功率可達705.6瓦，系統(tǒng)效率不足1％。西安交通大學圍繞高性能溫差發(fā)電器件及余熱發(fā)電系統(tǒng)進行大量研究，針對船舶主機余熱系統(tǒng)進行模擬計算，其最高系統(tǒng)效率理論上可達到6%，并已研制出500瓦的余熱發(fā)電系統(tǒng)試驗裝置。

目前的船舶領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，絕大部分余熱利用裝置的系統(tǒng)效率很低，與工程應用有著較大距離。從發(fā)展趨勢來看，民用領域?qū)τ酂岚l(fā)電這種新型能量利用方式有著較為強烈的需求，國內(nèi)外大量科研機構(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型半導體和n型半導體頂部相連形成接頭，接頭一端有一熱源進行加熱。此時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勢，加入負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)可對船舶柴油發(fā)電機或燃氣輪機高溫煙氣排放過程中攜帶的熱量進行回收并用于發(fā)電。

圖2 船舶主機余熱發(fā)電系統(tǒng)總體方案圖

通過在船舶上主機排煙管道外壁安裝由高導熱金屬構(gòu)成的集熱裝置，并在集熱裝置外表面敷設大量溫差發(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，溫差發(fā)電器件的另一面（冷端）則與水冷散熱板進行緊固接觸，根據(jù)散熱板內(nèi)部連通結(jié)構(gòu)設計可利用船上淡/海水進行高效冷卻，通過控制外部專用水泵或船用冷卻系統(tǒng)旁路水閘實現(xiàn)冷水流速控制，可維持在較低溫度。此時在溫差發(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在閉合的電路中會產(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，相當于電力系統(tǒng)的發(fā)電機組，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軟件來進行建模仿真，設定煙氣溫度保持在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，單個溫差發(fā)電片的輸出電壓和輸出功率分別為4.2 V和12 W。假設所需輸出功率為1 kW，此時至少需要分段結(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。對于溫差發(fā)電系統(tǒng)而言，高溫煙氣攜帶的部分熱量Q通過集熱裝置進入溫差發(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 船舶應用關(guān)鍵技術(shù)分析

溫差發(fā)電應用于船舶上的主要關(guān)鍵技術(shù)有高性能溫差發(fā)電器件設計與制備、高效熱能傳遞與利用、電能控制與能量存儲等三項關(guān)鍵技術(shù)。

1）高性能溫差發(fā)電器件設計與制備

溫差發(fā)電器件設計與制備技術(shù)直接決定了系統(tǒng)的最佳理想轉(zhuǎn)換效率，為了實現(xiàn)高性能器件封裝制備，需要對熱電材料、器件結(jié)構(gòu)、界面工藝、部件加工處理等進行深入研究。可以采用理論計算手段對高性能熱電材料進行參數(shù)評估與材料性能優(yōu)化，結(jié)合球磨-燒結(jié)、化學法等不同材料合成工藝對熱電材料進行試制[3]，并利用材料性質(zhì)測量設備對樣品材料進行表征分析，確定適用于船舶余熱系統(tǒng)的高性能中高溫熱電材料。最終利用器件建模方法對器件結(jié)構(gòu)及部件進行優(yōu)化設計，加工制備相應溫差發(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，可采用多級溫差發(fā)電器件結(jié)構(gòu)實現(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；同時由于溫差發(fā)電裝置中的集熱器、散熱器設計仍不合理，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

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，且隨船舶主機運行狀態(tài)發(fā)生波動，如直接為負荷供電，則所用電纜承載電流較大，將對周圍沿線設備造成電磁干擾及潛在威脅。因此需要對該輸出電壓進行升壓及穩(wěn)壓處理，同時多余的電能可通過儲能部件進行存儲。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，降低船舶對燃料資源的依賴度，同時作為節(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。為進一步推動該技術(shù)在船舶上的應用，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)能領域的應用[J]. 節(jié)能技術(shù), 2006, 24(02): 142-146.

[2] 褚澤. 廢熱半導體溫差發(fā)電技術(shù)的研究與開發(fā)[D].重慶: 重慶大學, 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, 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)化策略及研究進展[J]. 材料導報, 2019, 33(z1): 403-407.

[5] He Hailong, Wu Yi, Liu Weiwei, Rong Mingzhe, Fang Zhenxuan, Tang Xiaojun. Comprehensive modeling for geometric optimization of a thermoelectric generator module[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 645-659.

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