鄭友取, 應(yīng) 杰, 李國能, *, 朱亦圓, 沈 融, 湯元君, 郭文文

(1. 衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 浙江 衢州 324000;2. 浙江科技學(xué)院 能源與環(huán)境系統(tǒng)工程系, 浙江 杭州 310023)

0 引 言

國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論會上,鄭重向國際社會宣布,二氧化碳排放力爭在2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。二氧化碳減排的基準(zhǔn)情景主要通過節(jié)能來完成,無法減排的部分通過包括增加再造林和碳捕獲利用與封存等在內(nèi)的碳匯措施來中和。因此,節(jié)能是我國實現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)最重要和最經(jīng)濟(jì)的手段之一,是我國落實節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境兩項基本國策的重要抓手。我國節(jié)能潛力巨大,有多個堪比“沙特大油田”的節(jié)能“礦藏”,例如船舶航運業(yè)和公路運輸業(yè)。根據(jù)聯(lián)合國貿(mào)易和發(fā)展會議公布的《2019全球海運發(fā)展評述報告》,2018年中國的海運總量占全球海運總量的四分之一,而2018年全球海運業(yè)貢獻(xiàn)了3.3%的二氧化碳排放,并預(yù)計該數(shù)值在2050年將增加到近10%。此外,根據(jù)我國交通運輸部公布的《2018年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》,截至2017年末我國擁有公路載貨汽車1.368億輛,其中牽引車和掛車超過400萬輛,絕大部分是燃油貨車,電動化難度大。與此同時,船舶發(fā)動機(jī)和貨車發(fā)動機(jī)的效率不高,普遍低于45%,由此造成大量的余熱通過煙氣排放到大氣中,一方面造成巨大的能源浪費,另一方面增加了大量的碳排放。

發(fā)動機(jī)排煙余熱利用是我國經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場中需求鮮明的節(jié)能技術(shù)需求之一,但缺乏成熟的發(fā)動機(jī)排煙余熱利用技術(shù)。船舶發(fā)動機(jī)的排煙溫度通常介于200～400 ℃之間,貨車發(fā)動機(jī)的排煙溫度介于400～600 ℃之間,且煙氣中存在粘附性強(qiáng)的焦油和炭黑粒子,余熱利用難度高。目前利用廢氣余熱發(fā)電的技術(shù)有朗肯循環(huán)[1]、有機(jī)朗肯循環(huán)[2]、卡琳娜循環(huán)[3]、熱光伏[4]和熱電[5]等?；谌惪诵?yīng)的溫差發(fā)電機(jī)(Thermo-Electric Generator, TEG)是一種綠色能源技術(shù),具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、使用壽命長以及可將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能等諸多優(yōu)點,在余熱回收利用領(lǐng)域的前景十分廣闊[6],越來越受到人們的重視。溫差發(fā)電目前應(yīng)用在軍事航天、余熱利用、可穿戴電子產(chǎn)品[7]、自供電浮標(biāo)[8]、自驅(qū)動鍋爐[9]、空調(diào)冷凝器[10]以及應(yīng)急電源[11]等領(lǐng)域。溫差發(fā)電技術(shù)由于其先天的優(yōu)勢和特點,正從軍用層面不斷向著民用方向發(fā)展,例如高容量便攜式的微溫差發(fā)電機(jī)[12]、用于應(yīng)急救援的基于燃燒驅(qū)動溫差發(fā)電機(jī)[13-14]以及生物質(zhì)燃燒驅(qū)動的熱電聯(lián)供溫差發(fā)電機(jī)[15]。本文對發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)行回顧,分析該技術(shù)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用情況和存在的挑戰(zhàn),并對后續(xù)研究提出展望。

1 半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)簡介

1.1 塞貝克效應(yīng)

塞貝克效應(yīng),又稱為第一熱電效應(yīng),由物理學(xué)家托馬斯·塞貝克在1821年偶然發(fā)現(xiàn)[16]。如圖1所示,由兩種不同的電導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料組成的閉合回路中,在兩連接點處施加不同的溫度,導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)平均能級較高的載流子就會沿著溫度梯度方向從高溫端向低溫端擴(kuò)散,當(dāng)擴(kuò)散作用與電場漂移作用相互抵消時,就會形成電勢差,從而實現(xiàn)由熱能向電能的直接轉(zhuǎn)換。通常用塞貝克系數(shù)來表征塞貝克效應(yīng)的大小,其表達(dá)式如式(1)。

圖1 塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)示意圖Fig. 1 Sketch of Seebeck effect and Peltier effect

(1)

式(1)中:S為塞貝克系數(shù),V/K;dT和dV分別代表材料兩端的溫差以及兩端產(chǎn)生的電勢差,即當(dāng)材料中的空穴為多子時,該材料的塞貝克系數(shù)為正值,而電子為多子時則塞貝克系數(shù)為負(fù)值。上述溫差電動勢如式(2)。

(2)

式(2)中:V為溫差電動勢,V;Th和Tc分別代表熱端溫度和冷端溫度,K;SP和SN分別代表P型和N型兩種材料的塞貝克系數(shù)。

熱電偶是塞貝克效應(yīng)在工業(yè)中最常見的應(yīng)用,其原理是選用兩種塞貝克系數(shù)不同的導(dǎo)電材料互相連接形成閉合電路,當(dāng)兩端接觸點處于不同溫度時電路中產(chǎn)生電動勢,并根據(jù)精確的計算與實驗確定電動勢與溫度的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)溫度的測量。熱電材料的種類決定了電動勢的大小以及測溫范圍,常見的K型熱電偶選用的是鎳鉻-鎳硅材料,其標(biāo)準(zhǔn)測溫范圍在233～648 K,誤差允許在±1.5 K內(nèi)。

1.2 帕爾貼效應(yīng)

帕爾貼效應(yīng),又稱為第二熱電效應(yīng),與塞貝克效應(yīng)互為反效應(yīng),由科學(xué)家J.C.A.帕爾貼在1834年發(fā)現(xiàn)[16]。如圖2所示,在不同的導(dǎo)電材料或半導(dǎo)體材料組成的閉合電路中,接入電源從而使得電流流通,促使導(dǎo)體中載流子發(fā)生定向運動。載流子的移動同時伴隨著熵的改變,從而導(dǎo)致能量的吸收或釋放,即載流子從冷端吸熱并運動至熱端后放熱,從而實現(xiàn)泵熱效果。帕爾貼效應(yīng)在工業(yè)中的主要應(yīng)用為熱電制冷,廣泛用于通信和醫(yī)療檢測設(shè)備中。材料的帕爾貼系數(shù)Π定義如式(3)。

圖2 溫差發(fā)電模塊Fig. 2 Thermoelectric module

圖3 余熱溫差發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig. 3 Configuration of waste heat TEG

(3)

式(3)中:I表示材料中的電流,A;q表示材料所吸收或放出的熱量,W/m2。通過兩種不同材料的帕爾貼系數(shù)可以計算這兩種材料所組成的制冷系統(tǒng)的制冷量,如式(4)。

Q=(ΠP-ΠN)I

(4)

1.3 湯姆遜效應(yīng)

湯姆遜效應(yīng),又稱為第三熱電效應(yīng),由科學(xué)家威廉·湯姆遜在1854年發(fā)現(xiàn)[16]。湯姆遜效應(yīng)是指在一個均勻?qū)w中通有電流時,施加一個溫度梯度,通過材料的電流將持續(xù)沿著材料內(nèi)部的電流路徑釋放或吸收一定的熱量。湯姆遜效應(yīng)的本質(zhì)是由于當(dāng)?shù)厝惪讼禂?shù)由于溫度差異而產(chǎn)生變化,導(dǎo)致載流子從低溫向高溫運動時所吸收或釋放的熱量。通常情況下湯姆遜效應(yīng)所產(chǎn)生的影響要比其他熱電效應(yīng)小很多,因此在大多數(shù)情況,特別是小溫度梯度條件下,湯姆遜效應(yīng)可以忽略不計。湯姆遜系數(shù)β定義如式(5)。

(5)

式(5)中:q為導(dǎo)體中吸收或釋放的熱量,W/m2;I為流經(jīng)導(dǎo)體的電流,A;ΔT為導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫差,K。上述三種熱電效應(yīng)由于其產(chǎn)生機(jī)理導(dǎo)致其互相影響,湯姆遜將其推導(dǎo)出并命名為開爾文第二關(guān)系式,如式(6)和(7)。

(6)

(7)

1.4 焦耳效應(yīng)

焦耳效應(yīng)由科學(xué)家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳在1841年發(fā)現(xiàn)[16]。焦耳效應(yīng)是指當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)體時會產(chǎn)生熱量。這種熱效應(yīng)是不可逆的,且適用于任何通電條件下,因此在熱電效應(yīng)產(chǎn)生的同時也會伴隨焦耳熱的產(chǎn)生。焦耳熱的表達(dá)式如式(8)。

(8)

式中:I表示流經(jīng)該導(dǎo)體的電流,A;R為該導(dǎo)體的電阻,Ω;ρ為該導(dǎo)體的電阻率,Ω·m;l為該導(dǎo)體的長度,mm;A為該導(dǎo)體的橫截面積,m2。

1.5 溫差發(fā)電模塊及余熱溫差發(fā)電機(jī)

溫差發(fā)電模塊是以熱電效應(yīng)為理論基礎(chǔ)設(shè)計的一種半導(dǎo)體發(fā)電單元,圖2為溫差發(fā)電模塊的實物圖以及結(jié)構(gòu)示意圖,其主要組成部分有:PN結(jié)、電極、基板材料、密封層和導(dǎo)線。

PN結(jié)作為發(fā)電功能的載體是最重要的部分,一般由兩種不同的半導(dǎo)體所組成:其中P型材料選用塞貝克系數(shù)為正的材料,一般為摻雜少量硼或銦元素的硅或鍺晶體,由于硼或銦原子外層只帶3個電子,在與硅或鍺原子形成共價鍵時會產(chǎn)生一個空穴,因此P型材料有較多的空穴從而帶正電;N型材料選取塞貝克系數(shù)為負(fù)的材料,一般為摻雜少量磷或銻元素的硅或鍺晶體,由于磷或銻原子外層帶5個電子,在與硅或鍺原子形成共價鍵時則會產(chǎn)生一個電子,因此N型材料有較多的電子而帶負(fù)電。最終形成的PN結(jié)在溫度場的作用下發(fā)生載流子的擴(kuò)散和漂移,從而實現(xiàn)從熱能向電能的轉(zhuǎn)換。單個PN結(jié)所能產(chǎn)生的溫差電動勢非常低,僅為幾毫伏。溫差發(fā)電模塊將大量的PN結(jié)互相串聯(lián)以獲得足夠的溫差電動勢。

電極用于PN結(jié)之間的連接以及與外接導(dǎo)線的連接,主要選用導(dǎo)電系數(shù)較好的金屬材料,例如銅等。同時,熱電界面材料是優(yōu)化熱電材料與金屬電極之間電接觸和界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵,因此,通常選擇電阻率較低的薄膜材料來保證良好的電接觸。

基板材料用于確保溫差發(fā)電片內(nèi)部電路與外界的絕緣,同時也作為直接接觸熱源和冷源的外殼部分,因此需要高導(dǎo)熱、絕緣以及耐壓等性質(zhì),通常選用氮化鋁和氧化鋁等陶瓷材料,在一些柔性應(yīng)用中也采用有機(jī)材料。

密封層用于防止外界雜質(zhì)進(jìn)入溫差發(fā)電模塊內(nèi)部,從而影響PN結(jié)性能,通常使用高溫硅膠密封。

導(dǎo)線用于輸出溫差電能,通常采用銅、鋁、合金等電導(dǎo)率較高的材料,并附著聚氯乙烯、聚四氟乙烯等材料用于絕緣。

余熱溫差發(fā)電機(jī)一般由集熱器、均溫器、溫差發(fā)電模塊、液冷模塊和散熱系統(tǒng)組成。集熱器主要用于收集發(fā)動機(jī)排煙中的熱量,均溫器主要用于把集熱器收集而來的熱量均勻地通過溫差發(fā)電模塊進(jìn)行溫差發(fā)電,液冷模塊和散熱系統(tǒng)主要將溫差發(fā)電模塊冷端的熱量帶走,從而形成穩(wěn)定的溫差。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 溫差發(fā)電材料的研究進(jìn)展

目前,在溫差發(fā)電材料研究領(lǐng)域已有廣泛研究,眾多報道研究了各種溫差發(fā)電材料的性能。溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率首先取決于溫差發(fā)電材料的熱電輸運特性。性能優(yōu)越的溫差發(fā)電材料需要同時滿足優(yōu)異的電輸運和極低的熱傳導(dǎo)這一本征相互矛盾的需求,一般采用ZT值表示。一般認(rèn)為當(dāng)ZT值大于1時,溫差發(fā)電材料具有實用價值;當(dāng)ZT值大于2時,可適用于中等規(guī)模應(yīng)用;當(dāng)ZT值大于3時,可應(yīng)用于大規(guī)模和大功率發(fā)電。關(guān)于溫差發(fā)電材料的研究,可見相關(guān)綜述論文[17-19],其中Gaultois等[17]建立了一個數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)回顧了各種溫差發(fā)電材料的性能,其數(shù)據(jù)量超過18 000個。2022年Yan和Kanatzidis系統(tǒng)闡述了目前熱電材料協(xié)同調(diào)控的方法[19],指出了當(dāng)前熱電材料的發(fā)展趨勢和商業(yè)化存在的挑戰(zhàn)。近年來,Zhao等[20]報道了一種新的溫差發(fā)電材料SnSe,獲得了高達(dá)2.6的ZT值,高于2012年報道的ZT值為2.2的PbTe[21]和2001年報道的ZT值為2.4的Bi2Te3/Sb2Te3[22]。然而,SnSe在中低溫段(300～773 K)的ZT值很低,介于0.1到0.9之間。隨后,Zhao的團(tuán)隊對SnSe進(jìn)行了改性,把中低溫段的ZT值提高到0.7～2.0[23]。He等[24]報道了一種新型溫差發(fā)電材料SnMn0.07Te,其ZT值在920 K時為1.25。Fu等[25]合成了P型FeNbSb溫差發(fā)電材料,其ZT值在1 200 K時可達(dá)到1.5。Meroz等[26]制備了溫差發(fā)電材料Bi2Te2.4Se0.6,其ZT值在448 K時達(dá)到0.9。Liu等[27]報道了α-MgAgSb的ZT值在550 K可達(dá)1.2～1.4。Jiang等[28]通過調(diào)控電子局域化程度,避免了無序引入對電子傳輸?shù)挠绊?從而使高熵GeTe基材料的電性能得到了顯著提升,其ZT值可以達(dá)到2.7。Hinterleitner等[29]在硅晶體上覆蓋一層由鐵、釩、鎢和鋁元素組成的合金材料,實現(xiàn)了ZT值超過5.0,是溫差發(fā)電材料的重大突破。由此可見,當(dāng)前報道的溫差發(fā)電材料的最大ZT值普遍超過1.5,但是在低溫區(qū)間的ZT值均不理想[19],綜合技術(shù)成熟度和性價比而言,碲化鉍和碲化鉛錫(需要與碲化鉍混合)是目前規(guī)?；N售和應(yīng)用的溫差發(fā)電材料[17, 29],其ZT值在1.0左右。值得提及的是,我國的科學(xué)家在溫差發(fā)電材料的研究上走在世界前沿,其中清華大學(xué)的李敬鋒團(tuán)隊、北京航空航天大學(xué)的趙立東團(tuán)隊和鄧元團(tuán)隊、浙江大學(xué)的趙新兵團(tuán)隊和朱鐵軍團(tuán)隊、華中科技大學(xué)的楊榮貴團(tuán)隊、武漢理工大學(xué)的唐新峰團(tuán)隊、上海硅酸鹽研究所的史迅團(tuán)隊、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的隋解和團(tuán)隊、武漢科技大學(xué)的樊希安團(tuán)隊和南方科技大學(xué)的何佳清團(tuán)隊等是部分杰出的代表。

2.2 發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電的研究進(jìn)展

目前國外已經(jīng)開展了系列的相關(guān)研究,國內(nèi)也有相關(guān)報道,研究主要集中在公路運輸業(yè)的排煙余熱發(fā)電,在船舶航運業(yè)的排煙余熱發(fā)電則不多見。關(guān)于汽車發(fā)動機(jī)排煙余熱溫差發(fā)電的研究,從研究現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和展望可見,文獻(xiàn)[30]為一篇非常完備和客觀的綜述。美國率先開始研究汽車尾氣余熱溫差發(fā)電,目前世界上報道的最大發(fā)電功率的汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)是基于一臺14 L的柴油機(jī)(如圖4),發(fā)電功率為1 068 W[31]。國內(nèi)報道的最大發(fā)電功率的汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)是基于一臺2 L的柴油機(jī),發(fā)電功率為944 W[32]。由于增加汽車載重會增加燃油消耗,研究表明每增加1 kg的載重需要增加功率消耗約為12 W[33],因此,除發(fā)電功率之外,汽車尾氣溫差發(fā)電的節(jié)油率是更為核心的參數(shù)。根據(jù)對已有文獻(xiàn)的統(tǒng)計,汽車尾氣溫差發(fā)電的效率介于0.5%和2%之間[30],差別較大。當(dāng)前汽車尾氣余熱溫差發(fā)電研究工作絕大多數(shù)采用肋柱(肋片)強(qiáng)化集熱,其核心原因是氣固界面之間的對流換熱系數(shù)很小,低于100 W/m2[34]。近期已有研究工作嘗試改變肋柱形狀來降低壓損,獲得更好的溫差發(fā)電性能[35-39],但是沒有耦合均溫概念[40]進(jìn)行優(yōu)化。與此同時,也有學(xué)者嘗試采用相變材料和熱管來改善熱端的溫度分布[41-42],但是沒有對耦合肋柱尺寸和分布進(jìn)行優(yōu)化。此外,近期有學(xué)者指出,對于某一特定的集熱器存在最佳的溫差發(fā)電片安裝數(shù)量[43-44],使得汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率最大。在國內(nèi),天津大學(xué)[45]、清華大學(xué)[46]、華能集團(tuán)[47]、大連理工大學(xué)[48],武漢理工大學(xué)[49]、中國地質(zhì)大學(xué)[50]、太原理工大學(xué)[51]、合肥工業(yè)大學(xué)[52]和江蘇大學(xué)[53]等單位都設(shè)計了汽車尾氣余熱溫差發(fā)電系統(tǒng),開展了富有成效的探索。

圖4 千瓦級汽車發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電機(jī)[31]Fig. 4 Kilo-Watt waste heat TEG for vehicle engine[31]

圖5 京杭運河800 t內(nèi)河船舶發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電機(jī)Fig. 5 Demonstration application of a waste heat TEG in an 800-ton inland waterway vessel on China′s Grand Canal

關(guān)于船舶發(fā)動機(jī)排煙余熱溫差發(fā)電,目前的研究報道較少,主要原因是海運行業(yè)的相對密閉性。Nour Eddine等[54]搭建了船舶發(fā)動機(jī)排煙余熱溫差發(fā)電實驗臺架,獲得了1.3%的節(jié)油率。Kristiansen等[55]對船舶中850 kW廢棄物焚燒鍋爐進(jìn)行了余熱溫差發(fā)電測算,發(fā)現(xiàn)其余熱回收效率為6.8%。Loupis等[56]研制了一套船舶余熱溫差發(fā)電裝置,其計算結(jié)果表明當(dāng)冷熱溫度差為220 ℃時,其轉(zhuǎn)化效率為6.4%。Ji等[57]針對溫差發(fā)電在船舶中的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)溫差發(fā)電片組合高度是影響發(fā)電量的最重要因素。Joseph等[58]為了克服溫差發(fā)電在船舶余熱回收中輸出損失,保證溫差發(fā)電模塊最優(yōu)輸出,設(shè)計了一套雙串轉(zhuǎn)換器系統(tǒng),并與單串轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)雙串轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒛芰枯敵鎏岣?4%,顯著提高了能量轉(zhuǎn)化效率。在國內(nèi),寧波大學(xué)郭江榮等[59]分析了半導(dǎo)體熱電材料最佳工作溫度區(qū)間特性,探討了溫差發(fā)電技術(shù)在船舶中應(yīng)用的可行性。大連海事大學(xué)的王洪明等[60]針對船舶余熱回收搭建了溫差發(fā)電裝置,獲得了不同熱端溫度下的輸出功率和系統(tǒng)效率,最高效率為1.7%左右。天津大學(xué)賈琦等[61]設(shè)計并搭建了基于柴油主機(jī)的溫差發(fā)電系統(tǒng),探討了冷熱端溫度變化對輸出功率的影響。作者在浙江省能源集團(tuán)的支持下,在國內(nèi)率先把余熱溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于1艘近海船和2艘內(nèi)河船舶排煙系統(tǒng)上并實際參與船舶的正常航運,實現(xiàn)了1 810 W的發(fā)電功率[62]。表1給出了部分上述研究工作的主要結(jié)果,表中的Ptot表示總發(fā)電功率,模塊表示溫差發(fā)電模塊,ΔP為余熱溫差發(fā)電機(jī)的壓損,efoverall表示系統(tǒng)發(fā)電效率。

表1 發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電的研究進(jìn)展Table 1 The-state-of-the-art of engine waste heat TEG

從上述討論可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)正處于快速迭代的進(jìn)程中,有望在不久的將來進(jìn)入實用化,特別是隨著環(huán)保要求的提高,人們采用了更加環(huán)保的天然氣發(fā)動機(jī)或氫氣發(fā)動機(jī)。天然氣或氫氣動力發(fā)動機(jī)的排煙更加潔凈,對應(yīng)用余熱溫差發(fā)電技術(shù)更為有利。對于一個余熱溫差發(fā)電系統(tǒng),評價指標(biāo)至關(guān)重要,一般地,衡量余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的先進(jìn)性,可采用以下評價指標(biāo)[63]。

(9)

公式(9)中的efTE和efoverall分別表示系統(tǒng)的熱電效率和系統(tǒng)發(fā)電效率,efTE,max表示溫差發(fā)電模塊出廠時的最大熱電效率,Pin表示系統(tǒng)輸入功率(總余熱功率)。

公式(9)中的系統(tǒng)發(fā)電效率可通過以下公式獲得。其中efheat表示余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的集熱效率,定義為集熱器收集的熱流功率占發(fā)動機(jī)排煙余熱總功率的比值。

efoverall=efheatefTE

(10)

由公式(9)和(10)可見,余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的集熱效率至關(guān)重要,這決定著發(fā)動機(jī)排煙余熱中有多少比例的余熱用于溫差發(fā)電。此外,余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電效率與溫差發(fā)電模塊的最大熱電效率之間的差距也極其重要,這反映了溫差發(fā)電模塊潛能的釋放度,間接體現(xiàn)了余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計是否合理和先進(jìn)。集熱效率的大小與排煙背壓耦合在一起,溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電效率與熱端溫度分布均勻性和熱匹配耦合在一起,上述兩點是余熱溫差發(fā)電技術(shù)的兩個底層科學(xué)問題。

3 存在的挑戰(zhàn)

(1)余熱溫差發(fā)電機(jī)的熱端溫度不均勻性

余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)實際運行的熱電效率與溫差發(fā)電模塊的最大熱電效率之間差距,受限于熱端溫度分布的均勻性[64]。由于余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)不可避免地采用數(shù)十個甚至數(shù)千個溫差發(fā)電模塊,煙氣中的熱流密度不斷被集熱器吸收導(dǎo)致其溫度不斷下降,并且集熱器和均溫器材料的導(dǎo)熱系數(shù)有限,這三個方面的綜合作用導(dǎo)致了余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱端溫度不斷下降,其原理如圖6所示。此外,為了確保余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)運行的安全性,系統(tǒng)運行最高溫度往往由在最高溫度下工作的溫差發(fā)電模塊決定,而其他溫差發(fā)電模塊的運行溫度將低于出廠的溫度。因此,在一個余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)中,往往只有少數(shù)的幾個溫差發(fā)電模塊在其設(shè)計的熱電轉(zhuǎn)換效率下工作,而其余溫差發(fā)電模塊將偏離其最大的熱電效率工作。綜上所述,一個余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)實際運行的熱電效率必然低于溫差發(fā)電模塊的設(shè)計熱電效率。熱端溫度沿著煙氣流動方向的下降斜率是余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計先進(jìn)性的主要體現(xiàn)之一。當(dāng)前的研究主要采用熱管[41]、相變材料[65]和中間流動介質(zhì)[66]等媒介,也有采用局部加密[67]或采取熱補償[13]措施等方法,從而改善熱端溫度的下降斜率。

圖6 余熱溫差發(fā)電機(jī)的熱端溫度分布Fig. 6 Hot-end temperature distribution of waste heat TEG

(2)集熱效率與壓降之間的矛盾

由公式(9)和公式(10)可見集熱效率的重要性。由于氣固兩相之間非常低的對流換熱系數(shù),設(shè)計余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)時往往要設(shè)計延伸面積型的集熱器,通過讓更多的面積接觸煙氣,從而收集足夠的熱流功率。一般地,集熱器采用平面型肋片和針狀肋柱[35-39]。然而,肋片(肋柱)的存在將不可避免地產(chǎn)生壓降[68],從而影響上游發(fā)動機(jī)的工作。目前已有的文獻(xiàn)報道的壓降可高達(dá)一千帕以上(2.1 kPa[69],3.1 kPa[70],4.8 kPa[71]),由此帶來可觀的發(fā)動機(jī)功率損失,在計算余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)油率時,需要考慮由于壓降導(dǎo)致的發(fā)動機(jī)功率損失。實際上,對于加肋片(肋柱)后的集熱器,可以采用經(jīng)驗公式進(jìn)行估算壓降,從而不斷調(diào)整設(shè)計,獲得最佳的集熱效率和壓降組合。作者設(shè)計了一個耦合材料、器件和系統(tǒng)的分析設(shè)計模型[62],可以在設(shè)計時耦合計算獲得集熱面積、壓降和發(fā)電功率。

(3)沾污影響

在已有的文獻(xiàn)研究中很少研究提及沾污問題,圖7首次公開了作者在開展示范工程應(yīng)用時的余熱溫差發(fā)電機(jī)在船舶正常營運6個月后的積碳沾污情況。由圖7可見,余熱溫差發(fā)電機(jī)安裝到柴油發(fā)電機(jī)之后,沾污較為嚴(yán)重。通過測量,積灰厚度高達(dá)1.2 mm。這嚴(yán)重影響到了集熱效果和壓降大小。更為重要的是,綜合其它運行數(shù)據(jù)看,船舶在運行時油門變化幅度很大,意味著排氣速度波動很大,在這樣的條件下,上述積灰依然存在,因此可以肯定該積灰的黏性較大,采用普通吹掃不能完成清潔工作。后續(xù)研究可開發(fā)一些防積灰的涂層。

圖7 運行6個月后船舶余熱溫差發(fā)電機(jī)內(nèi)的積灰Fig. 7 Ash contamination of waste heat TEG after running for six months

(4)發(fā)動機(jī)排煙溫度的波動

關(guān)于汽車發(fā)動機(jī)的變負(fù)荷對余熱溫差發(fā)電的性能影響已有較多的研究,但是很少研究給出船舶發(fā)動機(jī)運行的排煙溫度曲線以及安裝余熱溫差發(fā)電機(jī)后的熱端溫度波動曲線。圖8給出了一艘內(nèi)河船舶發(fā)動機(jī)的排煙溫度和余熱溫差發(fā)電機(jī)熱端溫度在16 h內(nèi)的負(fù)荷波動情況。由圖8可見,發(fā)動機(jī)工作時負(fù)荷變化大,熱端溫度在某個瞬間可達(dá)到250 ℃(溫差發(fā)電模塊的長期運行溫度上限)。在大部分時間熱端溫度僅為150 ℃左右,此時溫差發(fā)電模塊的潛力沒能完全發(fā)揮出來。如果增加集熱面積,在發(fā)動機(jī)高負(fù)荷工作時,溫差發(fā)電模塊將超溫運行造成系統(tǒng)損壞。由此可見,發(fā)動機(jī)排煙溫度的波動特點給余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)。一種有潛力的解決辦法是增加必要的主動控制策略,當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷過高時,影響到溫差發(fā)電機(jī)的安全運行時,應(yīng)該打開旁路系統(tǒng),從而保護(hù)溫差發(fā)電機(jī),這是后續(xù)研究的一個重要方向。在已有的文獻(xiàn)研究中,Lan等[52]報道的專門為增程式汽車發(fā)動機(jī)開發(fā)的余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)則沒有這個問題,因此增程式汽車發(fā)動機(jī)的運行負(fù)荷的固定的,其排氣溫度也是固定的。

圖8 船舶發(fā)動機(jī)排煙余熱溫差發(fā)電機(jī)的進(jìn)氣溫度和熱端溫度Fig. 8 The flue gas and hot-end temperatures of waste heat TEG in a waterway vessel

4 結(jié) 論

本文介紹了發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)原理,包括塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)和焦耳效應(yīng),進(jìn)而介紹了溫差發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成。論文在系統(tǒng)回顧國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,分析了當(dāng)前熱電材料和余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、應(yīng)用潛力、評價指標(biāo)和存在的問題和挑戰(zhàn),通過分析和討論獲得了以下結(jié)論:

(1)基于塞貝克效應(yīng)的半導(dǎo)體余熱溫差發(fā)電在利用發(fā)動機(jī)余熱方面具有極大的潛力,當(dāng)前的研究不斷更新迭代,已具備走出實驗室并在實際場景中應(yīng)用的案例。

(2)發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)不可避免地采用數(shù)十個甚至數(shù)千個溫差發(fā)電模塊,煙氣溫度不斷下降,集熱器和均溫器材料的導(dǎo)熱系數(shù)有限,這三個方面的綜合作用導(dǎo)致了余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱端溫度不斷下降,潛在的解決方案包括熱管、相變材料和中間流動介質(zhì)等媒介,或采用局部加密肋片(肋柱)和采取熱補償?shù)却胧?/p>

(3)集熱效率與壓降的耦合關(guān)系是提升發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題,應(yīng)該開發(fā)耦合材料、器件和系統(tǒng)三個層級的分析設(shè)計模型,從而獲得最佳的集熱效率和壓降組合。

(4)在應(yīng)用示范工程中發(fā)現(xiàn),沾污和工作負(fù)荷大是當(dāng)前應(yīng)用發(fā)動機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)的難點,需要開發(fā)防積灰涂層和主動控制的煙氣旁路新技術(shù)來解決上述問題。