楊文迪，張浩，吳文捷

基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流船舶防腐蝕系統(tǒng)

楊文迪，張浩，吳文捷

（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430000）

海洋有著豐富的波浪能，但目前對(duì)波浪能的利用較為單一，大多利用波浪能發(fā)電，且設(shè)備大部分都在海岸線附近，在廣闊海平面上的利用較少。船舶燃油存在巨大熱損，且此部分能量損失得不到合理的利用。設(shè)計(jì)了一種基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流船舶防腐蝕系統(tǒng)，將能源轉(zhuǎn)化為電能，利用外加電流的陰極保護(hù)法原理，對(duì)船舶的電化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕起到一定的防護(hù)作用，加強(qiáng)了對(duì)船體的保護(hù)。

波浪能；塞貝克效應(yīng)；船舶；電化學(xué)腐蝕

1 研制背景及意義

中國(guó)是造船大國(guó)，但是船舶在水體中存在著嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，其中最為嚴(yán)重的為電化學(xué)腐蝕，也存在著微生物腐蝕。

對(duì)于船體防腐蝕，一般同時(shí)采用涂層防腐和電化學(xué)防腐等幾種方式，電化學(xué)保護(hù)就是讓腐蝕電池的電位差消失或減少，從而達(dá)到降低電化學(xué)腐蝕的效果，具體方式分為外加電流的陰極保護(hù)法以及犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。向船體通入一定量的陰極電流，使之陰極極化，把被保護(hù)金屬相對(duì)于陽(yáng)極裝置變成一個(gè)陰極，使之免遭電化學(xué)腐蝕，這就是外加電流陰極保護(hù)原理。在船體上連接金屬性更強(qiáng)的金屬，使它相對(duì)于船體成為一個(gè)陽(yáng)極，在發(fā)生腐蝕時(shí)犧牲陽(yáng)極，使船體成為一個(gè)陰極，使之避免電化學(xué)腐蝕，這就是犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法。但是這兩種方式都存在一定的問(wèn)題：①第一種方式需要定期更換陽(yáng)極，且替換用廢的陽(yáng)極是困難且昂貴的；②第二種方式與第一種相比，需要更多的檢測(cè)和維修費(fèi)用，且需要外部電源、持續(xù)的電流供給費(fèi)用。船舶腐蝕如圖1所示。

圖1 船舶腐蝕

基于以上背景，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流舶防腐蝕系統(tǒng)。對(duì)于社會(huì)而言，使用波浪能和溫差發(fā)電的方式有利于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源，并且可以完成對(duì)船體的保護(hù)，避免侵蝕。對(duì)造船業(yè)及船體使用個(gè)人而言，使用本裝置可以在保護(hù)船體的前提下降低檢測(cè)維修的成本，減少更換陽(yáng)極的復(fù)雜工序，并減少更換陽(yáng)極及供給電流的費(fèi)用。

2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)了一種基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流船舶防腐蝕系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在船行駛與?？窟^(guò)程中，分別采用塞貝克效應(yīng)與波浪能進(jìn)行發(fā)電，將所產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)整流控制，根據(jù)船體形成腐蝕電池的電位差，對(duì)船體加上反向電壓，利用外加電流的陰極保護(hù)法的原理，在節(jié)電的同時(shí)有效防止電化學(xué)腐蝕，同時(shí)，對(duì)微生物腐蝕起到一定的防治作用。

圖2 裝置總體示意圖

2.1 波浪能發(fā)電部分

波浪能發(fā)電裝置如圖3所示，裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。船舶行駛時(shí)，發(fā)電裝置掛載在船體上，在船舶靠岸停靠時(shí)，

將波浪能發(fā)電裝置從船體取出，海浪在靠岸邊波浪較大，利用波浪能進(jìn)行發(fā)電，所產(chǎn)生的電流通過(guò)整流控制之后，向陽(yáng)極端輸送，使腐蝕電池引起的電位差為0，從而達(dá)到保護(hù)船體金屬的作用。

2.2 塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電裝置

塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電裝置如圖5所示。船舶柴油機(jī)的熱平衡如表1所示，從表1來(lái)看，用于動(dòng)力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%。以余熱形式排出的能量占總?cè)紵康?5%～70%（柴油機(jī)），主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量。船舶排氣筒溫度高達(dá)300 ℃，將溫差發(fā)電的熱端以圖5方式貼合于排氣筒，通過(guò)水泵將冷卻水輸送到冷端，達(dá)到溫差發(fā)電的效果。將發(fā)電產(chǎn)生的電量整流控制通過(guò)恒電位儀輸送到陽(yáng)極板，完成對(duì)船體的陽(yáng)極化，保護(hù)船體。

圖3 波浪能發(fā)電裝置

圖4 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電裝置

表1 船舶柴油機(jī)的熱平衡

熱平衡各分項(xiàng)/（%）高速柴油機(jī)中速柴油機(jī) 轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?0～4035～45 冷卻介質(zhì)帶走的熱量20～2510～20 廢棄帶走的熱量35～4030～40 其他熱量損失5～1010～15

3 系統(tǒng)理論計(jì)算

以長(zhǎng)征號(hào)為例，船體主要尺寸如下：兩柱間距124 m，型寬為17.6 m，型深（至遮陽(yáng)甲板）10.9 m，（至主甲板）8.4 m，設(shè)計(jì)吃水6.0 m，滿載排水量7 703 t，方型系數(shù)乙0.591，航速18.1 n mile/h，空載吃水首24 m，尾5.39 m。 根據(jù)布魯可夫算式求出船體水下面積，為：

在考慮總的保護(hù)面積時(shí)，必須加上舵的面積和螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時(shí)與海水接觸的有效面積，船體的保護(hù)面積約為水下面積的110%，總保護(hù)面積總=1.1×=2 500×1.1=2 750 m2。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電位在﹣0.9～﹣0.8 V時(shí)，保護(hù)效率達(dá)到94%～99.5%，船在水下的面積相當(dāng)大，各處保護(hù)電位不可能相等，考率多方面原因最佳保護(hù)范圍為﹣0.9～﹣0.8 V。船體最大電流保護(hù)電流密度為45 mA/m2，因此，船總體最大保護(hù)電流=45×2 750=123 750 mA。

考慮到陽(yáng)極的材料，選用含2%銀的銀鉛合金做陽(yáng)極，最大工作電流密度為250 A/m2，每只陽(yáng)極的工作表面積為0.05 m2（長(zhǎng)1 000 mm、寬50 mm、厚37 mm），每只陽(yáng)極的最大輸出電流=0.05×250=12.5 A。

全船安裝這種陽(yáng)極10只，陽(yáng)極能在大部分時(shí)間內(nèi)處于50～100 A/m2的工作范圍內(nèi)，正是銀鉛合金最合適的范圍，以陽(yáng)極消耗2/3為使用壽命，則假定陽(yáng)極一直在滿負(fù)荷狀態(tài)下使用，其壽命按以下公式計(jì)算，約為11年：

式（1）中：為陽(yáng)極表面積；為陽(yáng)極厚度；為鉛密度；為工作電流；為消耗率。

即。

參比電極的作用為測(cè)量船體電位，以觀察船體的保護(hù)程度。船體的總保護(hù)電流為125 A，電壓為0.8～0.9 V，選取0.85 V計(jì)算，功率=125×0.85=106.25 W。

與犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法和外加電流的陽(yáng)極保護(hù)法分別進(jìn)行對(duì)比，分析本系統(tǒng)的效益。

3.1 犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法

采用ZAG-C的鋅-鋁-鎘合金型犧牲陽(yáng)極，其外形尺寸為500 mm×100 mm×45 mm，每塊犧牲陽(yáng)極質(zhì)量為13.6 kg，發(fā)生電流t為680 mA，最大保護(hù)電流a為123 750 mA。

保護(hù)船體所需陽(yáng)極數(shù)量=a÷t=123 750÷680≈182塊。

鋅-鋁-鎘合金型犧牲陽(yáng)極總質(zhì)量=182×13.6=2 475.2 kg。

可根據(jù)下列公式估算出犧牲陽(yáng)極的使用壽命：=（×1 000）÷（×8 760）=（13.6×780×1 000×0.9）÷（0.7×680×

8 760）≈2.29年。

每年消耗量為：=÷=2 475.2÷2.29≈1 080 kg=1.08 t。

采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法，則一年消耗1.08 t陽(yáng)極。ZAG-C的鋅-鋁-鎘合金型犧牲陽(yáng)極每千克價(jià)格為20元，此船一年減少犧牲陽(yáng)極使用價(jià)格=1 080×20=21 600元。

按照系統(tǒng)應(yīng)用于10 000條船計(jì)算，每年減少消耗的陽(yáng)極總=1.08×10 000=10 800 t。

減少陽(yáng)極使用價(jià)格總=21 600×10 000=21 600萬(wàn)元。

3.2 外加電流的陰極保護(hù)法

船體的總保護(hù)電流為125 A，電壓為0.8～0.9 V，選取0.85 V計(jì)算，功率為=125×0.85=106.25 W。

每年消耗的電量=106.25÷1 000×365×24=930.75 kW·h。

每年節(jié)省電量總=930.75×10 000=9 307 500 kW·h。

4 總結(jié)分析

本裝置基于半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，將經(jīng)船舶排氣管損失的熱量進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了溫差發(fā)電片的布置形式以及一套完整的工作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)廢熱的有效回收利用，提高了船舶的經(jīng)濟(jì)性。半導(dǎo)體材料具有利用溫差進(jìn)行發(fā)電的能力，將柴油機(jī)排氣管傳遞到機(jī)艙內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)換為高品位電能，給船舶通電防止侵蝕；在岸邊利用波浪能發(fā)電，使能量被回收利用。

隨著溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，熱電轉(zhuǎn)換效率的提高，波浪能發(fā)電的效率提高，本套裝置系統(tǒng)將有更大的現(xiàn)實(shí)意義。

利用波浪能以及塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的電流防止船舶被腐蝕，將犧牲陽(yáng)極保護(hù)中的犧牲陽(yáng)極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽(yáng)極，在陽(yáng)極和鋼板之間加一直流電源，并通過(guò)海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護(hù)電流，使鋼板成為陰極而得到保護(hù)。該外加電流保護(hù)系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽(yáng)極構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護(hù)電位范圍內(nèi)。

溫差發(fā)電裝置在船舶排氣管上的應(yīng)用可以創(chuàng)造很大的經(jīng)濟(jì)效益，而且不需要人工管理，具有很好的前景。

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TG174.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.003

2095－6835（2019）13－0005－02

〔編輯：張思楠〕