鄭喜洋，王志剛，鐘慶源

(中國船舶重工集團公司711研究所，上海210200)

船用柴油機排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)研究

鄭喜洋，王志剛，鐘慶源

(中國船舶重工集團公司711研究所，上海210200)

基于循環(huán)導熱介質(zhì)設計了1種船用柴油機排氣余熱溫差發(fā)電裝置，并通過柴油機試驗臺架測試了該裝置內(nèi)部溫度分布規(guī)律以及電能輸出特性。試驗結(jié)果表明,該裝置通過循環(huán)導熱的方式，為冷、熱端提供十分均勻穩(wěn)定的溫度，有利于高品質(zhì)電能的輸出，而且得到了在電阻改變時裝置的輸出特性,驗證了熱電裝置在船用領域應用的可行性。最后對該裝置的優(yōu)化改進提供了建設性意見，對今后的研究工作具有一定的指導意義。

熱電材料；溫差發(fā)電；船用柴油機

0 引言

柴油機具有排氣溫度高、 流量大等特點，在運行過程中大量的熱能隨排氣流失，因此如果能將排氣中的熱能回收并轉(zhuǎn)換成其他可利用的能量形式，就可以提高能源的使用效率。柴油機排氣余熱溫差發(fā)電技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，可將排氣中蘊含的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，且裝置具有體積小、重量輕、可靠性強等特點[1]。國外研究人員通過建立船用溫差發(fā)電機模型，對熱電材料在船舶領域應用的可行性進行了分析。但此項技術(shù)在國內(nèi)船舶領域的應用還屬空白，目前得到一些院校和汽車廠商的重視并開發(fā)使用[3-5]。

本文結(jié)合船用柴油機的排氣特點，在研究直接換熱形式余熱溫差發(fā)電裝置的基礎上，設計了1套采用循環(huán)載熱介質(zhì)的船用柴油機排氣余熱溫差發(fā)電裝置，通過試驗分析其應用的可行性，并針對試驗結(jié)果提出改進措施。

1 余熱發(fā)電的理論基礎

熱電元器件是溫差發(fā)電裝置的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換，發(fā)電效率是由熱電材料(即半導體材料)的性能和元器件的制造工藝共同決定的，工作原理可由Seebeck 效應解釋。

1821年德國的物理學家Seebeck 發(fā)現(xiàn)，2種不同的金屬經(jīng)焊接的方式所組成的板塊，如果板塊兩端不同金屬間有溫差存在，那么將會有微小電流產(chǎn)生，其原理如圖1所示。

圖1 Seebeck效應示意

圖中，A、B表示P、N兩種材料不同金屬板，T1、T2分別表示冷熱兩端溫度不考慮板塊內(nèi)阻的存在以及熱傳導現(xiàn)象的影響。

熱電材料內(nèi)部由溫差而產(chǎn)生的電壓ΔE，可由式(1)表示：

ΔE=αΔT

(1)

式中：ΔE為線路輸出的電壓，V；α為Seebeck系數(shù)，V/K；ΔT為T2與T1的差， K。

目前余熱發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率不高，主要是受熱電轉(zhuǎn)換材料的限制，效率約為10%?？己宿D(zhuǎn)換效率的性能指標一般用溫差電優(yōu)值，見式(2)：

Z=α2σ/λ

(2)

式中：σ為材料的電導率；λ為材料的熱導率；Z的量綱為K-1。

一般為了計算方便，常常用無量綱優(yōu)值ZT作為評價材料熱電轉(zhuǎn)換效率的標準。要提高材料的熱

電轉(zhuǎn)換效率，關(guān)鍵在于找到溫差電優(yōu)值更好的材料。

目前，國內(nèi)外研究較成熟并已實際應用的材料主要有Bi2Te3、PbTe、SnTe、TAGS、SiGe合金等，不同材料應用的溫度范圍、熱電效率也各有差異，各材料與ZT的對應關(guān)系分別如圖2、圖3所示。

圖2 P端材料特性

圖3 N端材料特性

由圖2、圖3可知，200 ℃以下時，Bi2Te3屬于低溫段熱電轉(zhuǎn)換效率最高的材料，主要用于制冷元器件。300～500 ℃時，PbTe展現(xiàn)出良好特性，多用于溫差電源；800 ℃以上時，SiGe材料的ZT約等于1，是目前航天器溫差電源的主要使用材料。

2 試驗裝置的研制

在國內(nèi)外專家學者研究工作的基礎上，設計出1套采用循環(huán)載熱介質(zhì)的船用柴油機排氣余熱溫差發(fā)電裝置，并通過試驗研究影響熱電轉(zhuǎn)換效率的因素。試驗裝置主要由換熱模塊、熱電轉(zhuǎn)換模塊、電源管理模塊和冷、熱介質(zhì)循環(huán)模塊組成。裝置原理圖如圖4所示。

換熱模塊是實現(xiàn)載熱介質(zhì)(導熱油)與柴油機排氣熱量交換的場所。本裝置采用導熱油循環(huán)交換發(fā)動機排氣熱量，排氣中的熱量流經(jīng)換熱模塊，將熱量傳遞給換熱模塊中流動的導熱油，攜帶熱量的導熱油流向熱電轉(zhuǎn)換模塊。裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

熱電轉(zhuǎn)換模塊是實現(xiàn)熱能-電能轉(zhuǎn)換的場所。熱電模塊由8個TEP-1型熱電器件以串并聯(lián)的形式構(gòu)成1組，共3組，實現(xiàn)溫差電機功率的拓展；熱電器件由集熱板、熱電片和散熱板組成；熱電片作為核心部件，由熱電材料制成，在兩端面溫差的作用下利用熱電材料的Seebeck效應實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。

電源管理模塊是管理熱電模塊發(fā)電量的場所。電源管理模塊一方面追蹤熱電器件發(fā)電特性，結(jié)合載荷情況實現(xiàn)最大功率輸出；另一方面將電能轉(zhuǎn)換為與載荷匹配的電量。

圖4 溫差熱電裝置原理圖

圖5 溫差熱電轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)

冷、熱介質(zhì)循環(huán)模塊是實現(xiàn)導熱油及冷卻水循環(huán)的動力場所。冷卻水來自柴油機冷卻系統(tǒng)，通過流量計和比例調(diào)節(jié)閥等，實現(xiàn)流量的控制，為熱電元器件提供所需的冷端溫度；在循環(huán)泵的驅(qū)動下，導熱油在換熱模塊吸收熱量，到熱電轉(zhuǎn)換模塊熱端釋放熱量；循環(huán)模塊管路上設置有膨脹槽和油氣分離器，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)導熱油的膨脹量，及時將因溫度升高而產(chǎn)生的氣體排出，以便維持導熱油循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 試驗結(jié)果及分析

柴油機排氣工況見表1。在表1排氣工況下進行試驗，得到的試驗結(jié)果見表2。表2中，T3為柴油機排氣進入換熱器溫度，T4為柴油機排氣出換熱器溫度，Q1為導熱油循環(huán)流量。

試驗數(shù)據(jù)表明，排氣與導熱油換熱后，溫度下降幅度較大，說明本套溫差熱電裝置能有效回收柴油機排氣能量。對以上數(shù)據(jù)進行處理，計算熱電材料的熱電效率，得到的結(jié)果見表3。

表1 排氣工況表

表3 計算結(jié)果

試驗結(jié)果表明：溫差發(fā)電裝置能夠穩(wěn)定地輸出電壓和電流，但熱電轉(zhuǎn)換效率并不高，后續(xù)進一步提高熱電元器件轉(zhuǎn)換效率是一個研究方向。

4 結(jié)論

在試驗的基礎上，為提高余熱的回收利用效率，根據(jù)試驗結(jié)果必須對溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進行改進，建議如下。

(1)導熱油循環(huán)換熱系統(tǒng)與直接使用熱電片相比，電源模塊可以呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的電能輸出。美中不足的是排氣端仍有大量的未被回收利用，建議可以在原有基礎上采用串并聯(lián)的方式再增加幾組熱電模塊，實現(xiàn)余熱的多級回收利用。

(2)試驗過程中發(fā)現(xiàn)3組熱電模塊內(nèi)的溫度呈梯度下降。由圖2和圖3可知，不同溫度下不同的熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率差異明顯。根據(jù)試驗測定選用該溫度下最佳熱電轉(zhuǎn)換材料，完成溫度和材料轉(zhuǎn)換效率的最佳匹配。

(3)熱電材料的熱端和冷端之間的溫度差越大，轉(zhuǎn)換效率就越高。通過采用提高熱端溫度，或者降低冷端溫度的方式可以提高熱電轉(zhuǎn)換效率。

(4)本熱電試驗裝置的管路布置導致管內(nèi)流量不均勻，溫度分布存在差異，可能會產(chǎn)生電壓環(huán)流，影響電能輸出的品質(zhì)。因此，重新布置管路或加裝流量平衡穩(wěn)定裝置，保證管內(nèi)流體流量基本不變是十分必要的。

熱電材料是利用固體內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料。它可以用于制作溫差發(fā)電機或電制冷裝置，這些熱電器件具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小、無運動部件、壽命長、安全、清潔、環(huán)保等優(yōu)點。船用柴油機排氣溫度高、流量大、熱量損失大，將其與熱電材料結(jié)合起來，實現(xiàn)余熱再利用。試驗表明了這種設計方案的合理性和可行性，但也存在熱電轉(zhuǎn)換效率不高的問題，該裝置要實現(xiàn)在船舶上的實際應用還需進一步的試驗研究。

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[2] 劉洪陽, 劉萬釗, 賀強，等. 發(fā)動機排氣管余熱發(fā)電研究[J]. 長春理工大學學報(自然科學版), 2007, 30(3):70-72.

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[5] 李洪濤, 朱志秀, 吳益文，等. 熱電材料的應用和研究進展[J]. 材料導報, 2012, 26(15):57-61.

2016-07-12

上海市經(jīng)濟和信息委員會項目(Z2014JMZ-002/015-1-DZ)作者簡介：鄭喜洋(1987—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為余熱溫差發(fā)電、船舶污染物排放控制。

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