宋赫，王洪明，董景明，曾維武

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中國船級(jí)社青島分社，山東 青島 266071)

?

船舶主機(jī)缸套水余熱溫差發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)分析

宋赫1，王洪明2，董景明1，曾維武1

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.中國船級(jí)社青島分社，山東 青島 266071)

針對(duì)不同因素對(duì)船舶主機(jī)缸套水余熱溫差發(fā)電裝置性能的影響問題，搭建船舶主機(jī)缸套水余熱溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)表明，熱交界面材料的種類和溫差發(fā)電片連接方式會(huì)直接影響溫差發(fā)電裝置的性能。采用液態(tài)導(dǎo)熱硅脂作為熱交界面材料可有效地提高溫差發(fā)電裝置的發(fā)電性能；串聯(lián)和并聯(lián)方式獲得的最大輸出功率相近，但串聯(lián)方式所匹配的負(fù)載約為并聯(lián)方式的4倍，所獲得的開路電壓約為并聯(lián)的2倍。

船舶；缸套水；余熱回收；溫差發(fā)電

船舶營運(yùn)過程中主機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量低品位熱能，并以煙氣和缸套水余熱等形式耗散。由圖1可知[1]，缸套水余熱量約占柴油機(jī)總余熱量的10%。如果能將這部分能量回收利用，就可以有效地提高船舶柴油機(jī)的燃油利用率，降低船舶能效營運(yùn)指數(shù)(EEOI)，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)滿足國際公約的相關(guān)要求。

圖1 MAN 12K98ME/MC型柴油機(jī)熱平衡圖[1]

溫差發(fā)電技術(shù)是一種綠色的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，可將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能，在余熱利用方面有著獨(dú)特優(yōu)勢，能將工業(yè)余熱、太陽能等熱量轉(zhuǎn)化為有用的電能[2]。已有的研究表明溫差發(fā)電技術(shù)在船舶上應(yīng)用可行[3]，以WD615型柴油機(jī)煙氣余熱為熱源的溫差發(fā)電裝置，采用902片溫差發(fā)電片，發(fā)電裝置的效率為1.14%，可輸出的最大功率為603.4 W[4]。以船用中速柴油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)煙氣余熱溫差發(fā)電性能進(jìn)行仿真模擬，當(dāng)柴油機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)，最大輸出功率可達(dá)705.6 W[5]。目前，船舶余熱溫差發(fā)電技術(shù)的研究主要集中于煙氣余熱的回收利用，而對(duì)缸套水余熱回收的研究相對(duì)較少。為此，考慮針對(duì)船舶主機(jī)缸套水余熱的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建主機(jī)缸套水余熱溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置，分析熱交界面材料的種類和溫差發(fā)電片連接方式對(duì)溫差發(fā)電裝置性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理見圖2。系統(tǒng)主要包括溫差發(fā)電片、冷卻器、加熱器和數(shù)據(jù)采集裝置。系統(tǒng)中使用保溫材料對(duì)溫差發(fā)電裝置進(jìn)行隔熱處理。

圖2 溫差發(fā)電裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

為了使實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)船主機(jī)缸套水系統(tǒng)參數(shù)更為接近，采用80、85、90和95 ℃的高溫淡水模擬主機(jī)缸套水作為熱源，30 ℃恒溫淡水作為冷卻水。高溫淡水由Julabo F34恒溫水浴提供，冷卻水由Julabo FL2503恒溫水浴提供，兩者精度均為±0.5 ℃；采用Agilent-34972A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；溫度傳感器為T型熱電偶溫度傳感器，誤差小于0.5 ℃；電流表量程為0～3 A，誤差小于0.5 mA，最大誤差為1.7 mA；電壓表量程為0.007 0 V～9.999 9 V～50.000 V自動(dòng)量程，正常誤差小于5 mV，最大誤差為17 mV。

實(shí)驗(yàn)中，將開關(guān)K2和K4閉合，開關(guān)K1和K3斷開，進(jìn)行串聯(lián)實(shí)驗(yàn)；將開關(guān)K1，K3，K4閉合，斷開開關(guān)K2，進(jìn)行并聯(lián)實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱交界面材料種類的影響

不同材料交界面上存在不可忽略的溫度降，引起該溫度降的原因是界面上存在接觸熱阻。溫差發(fā)電片和換熱器表面放大后見圖3、4，可以看到表面都是凹凸不平的，上述兩表面貼合時(shí)實(shí)際接觸面間存在大量微小空隙，造成界面上接觸熱阻很大，界面間溫度降較大，最終導(dǎo)致溫差發(fā)電裝置的性能降低。

圖3 溫差發(fā)電片表面微觀圖

圖4 換熱器表面微觀圖

采用熱交界面材料填充接觸面之間的間隙能夠減小接觸熱阻[6]。為了探究固體和液體熱交界面材料對(duì)溫差發(fā)電裝置性能的影響，分別選取石墨導(dǎo)熱貼和A3導(dǎo)熱硅脂作為熱交界面材料。實(shí)驗(yàn)采用SP1848型溫差發(fā)電片，發(fā)電片數(shù)量和連接方式為雙片并聯(lián)，溫差發(fā)電片與換熱器之間的緊固螺栓的上緊轉(zhuǎn)矩為0.3 N·m。

分別使用導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱貼時(shí)，不同熱源溫度下溫差發(fā)電裝置輸出功率隨負(fù)載阻值變化見圖5。

圖5 熱交界面材料種類出功率的影響

由圖5可知，熱端溫度分別為80、85、90和95 ℃時(shí)，采用導(dǎo)熱貼時(shí)溫差發(fā)電裝置的最大輸出功率分別為0.406、0.484、0.575和0.666 W，采用導(dǎo)熱硅脂時(shí)裝置的最大輸出功率分別為0.828、1.001、1.178和1.378 W。后者與前者相比分別提高了103%、107%、105%和107%。由此可見，采用液態(tài)導(dǎo)熱硅脂能夠更好地減小溫差發(fā)電片與換熱器之間的接觸熱阻，從而提高溫差發(fā)電性能。

采用石墨導(dǎo)熱貼，以及導(dǎo)熱硅脂作為熱交界面材料時(shí)的伏安特性見圖6、7。

圖6 采用導(dǎo)熱貼時(shí)的伏安特性

圖7 采用導(dǎo)熱硅脂時(shí)的伏安特性

可以看出，熱源溫度分別為80、85、90和95 ℃時(shí)，采用液態(tài)導(dǎo)熱硅脂作為熱交界面材料時(shí)可獲得的最大電流與采用導(dǎo)熱貼時(shí)所能獲得的最大電流相比，分別提高了9.2%、18.5%、29%和35.2%。由此可見，隨著溫度的提高，上述最大電流值提高的幅度也越大，因此溫度越高，越適合采用液態(tài)導(dǎo)熱硅脂作為熱交界面材料熱交界面材料。

分別采用石墨導(dǎo)熱貼與導(dǎo)熱硅脂時(shí)開路電壓隨熱源溫度升高的變化見圖8。

圖8 不同加熱溫度時(shí)的開路電壓

隨熱端溫度的提高，開路電壓呈線性增長，相同熱端溫度時(shí)，采用導(dǎo)熱硅脂時(shí)的開路電壓明顯高于采用石墨導(dǎo)熱貼時(shí)的值。同時(shí)，隨著熱端溫度的升高，開路電壓的差值逐漸增大。熱端溫度越高，導(dǎo)熱硅脂的優(yōu)勢越明顯。

2.2 溫差發(fā)電片連接方式的影響

采用TEP126型溫差發(fā)電片開展實(shí)驗(yàn)。雙片TEP126發(fā)電片串、并聯(lián)輸出功率見圖9、10。由圖可知，相同工況下兩者的最大輸出功率非常相近，其差值在誤差范圍內(nèi)，但是串聯(lián)時(shí)輸出功率隨負(fù)載阻值的變化改變較小，相對(duì)穩(wěn)定。串聯(lián)時(shí)匹配負(fù)載為5.0～5.5 Ω，并聯(lián)時(shí)匹配負(fù)載為1.2～1.4 Ω，串聯(lián)時(shí)匹配負(fù)載約為并聯(lián)時(shí)的4倍。

圖9 TEP126雙片串聯(lián)輸出功率

圖10 TEP126雙片并聯(lián)輸出功率

熱源溫度為80、85、90和95 ℃時(shí)，溫差發(fā)電裝置的最大輸出功率分別為0.906、1.079、1.288和1.499 W。分別為相同工況下單片最大輸出功率的1.961、1.944、1.957和1.957倍，略小于單片的2倍，分析認(rèn)為雙片聯(lián)接后回路中電流增大，內(nèi)阻由于焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的損耗有所增加。

雙片TEP126型號(hào)發(fā)電片串聯(lián)和并聯(lián)2種連接方式下的伏安特性見圖11。該曲線驗(yàn)證了串聯(lián)易獲得較高電壓、并聯(lián)易獲得較大電流的特性。由圖11可見，相同工況下兩者存在交點(diǎn)，這是由于串、并聯(lián)在不同負(fù)載阻值下取得最大輸出功率，隨著負(fù)載阻值的增加，并聯(lián)方式先取得最大輸出功率，阻值繼續(xù)增加，并聯(lián)方式的輸出功率開始下降，此時(shí)串聯(lián)輸出功率仍未獲得最大輸出功率而繼續(xù)上升，于是出現(xiàn)兩者輸出功率、電流和電壓值分別相同的情況。

圖11 TEP126雙片串、并聯(lián)的伏安特性

不同溫度下，雙片TEP126溫差發(fā)電片串、并聯(lián)時(shí)的開路電壓見表1。由表1可知，相同工況下串聯(lián)所獲得的開路電壓約為并聯(lián)時(shí)的2倍，溫度對(duì)開路電壓的影響較符合線性關(guān)系。

表1 雙片TEP126串、并連接方式開路電壓

不同的連接方式可獲得不同的輸出功率、匹配負(fù)載以及開路電壓，應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求采用合適的連接方式，以提高溫差發(fā)電裝置性能。

3 結(jié)論

1)熱交界面材料能有效減小接觸面熱阻，提高溫差發(fā)電效率。與固態(tài)石墨導(dǎo)熱貼相比，液態(tài)導(dǎo)熱硅脂能夠更好地減小溫差發(fā)電片與換熱器之間的接觸熱阻，使用液態(tài)導(dǎo)熱硅脂作為熱交界面材料能使溫差發(fā)電裝置取得更高的發(fā)電性能。熱源溫度越高時(shí)，液態(tài)導(dǎo)熱硅脂越適合作為熱交界面材料熱交界面材料；

2)不同的連接方式所對(duì)應(yīng)的最大輸出功率、匹配負(fù)載以及開路電壓不同。雙片溫差發(fā)電片串聯(lián)和并聯(lián)方式可獲得的最大輸出功率相近；串聯(lián)易獲得較高電壓、并聯(lián)易獲得較大電流，兩者存在輸出功率、電流和電壓值分別相同的情況。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)負(fù)載阻值的不同選用合適的溫差發(fā)電片連接方式，以提高溫差發(fā)電裝置的性能。

[1] 康春錄.船舶余熱蒸汽噴射器的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D].大連:大連海事大學(xué),2016.

[2] LIU Weishu，Q J H S. Current progress and futurechallenges in thermoelectric power generation：From materials to devices[J]. Science direct,2015(87):357-376.

[3] 崔清華.半導(dǎo)體熱電發(fā)電在船舶上應(yīng)用的可行性研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2010.

[4] 孔秀華.WD615型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[D].大連:大連海事大學(xué),2010.

[5] 葉曉軍.船用中速柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電技術(shù)研究[D].廈門:集美大學(xué),2015.

[6] 張平.界面接觸熱阻的研究進(jìn)展[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

Experimental Investigation of Thermoelectric Generator Using Waste Heat of Marine Main Engine Jacket Water

SONG He1, WANG Hong-ming2, DONG Jing-ming1, ZENG Wei-wu1

(1.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2.Qingdao Branch of China Classification Society, Qingdao Shandong 266071, China)

To investigate the effects of different factors on performance of thermoelectric generator using marine engine jacket water waste heat as resource, an experimental device was set up. Experimental results showed that the kinds of thermal interface materials and connection types of thermoelectric generation pieces affect performance of the thermoelectric generator directly. Using liquid thermal conductive silicone as a thermal interface material can effectively improve the performance of thermoelectric generator. Series and parallel ways can obtain similar maximum output power. The matching load of series way is about four times the value of parallel way, while the open circuit voltage of series way is about twice the value of parallel way.

ship; jacket water; waste heat recovery; thermoelectric generation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.034

2016-12-12

國家自然科學(xué)基金(51409034)

宋赫(1992—)，男，碩士生

研究方向：船舶能源利用

U664.5

A

1671-7953(2017)04-0147-04

修回日期：2017-01-23