溫差發電技術在國防工程中的應用探討

李 鍇，張海濤

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溫差發電技術在國防工程中的應用探討

李 鍇1，張海濤2

（解放軍理工大學國防工程學院，南京 210007）

溫差發電技術是一種綠色環保的發電方式，它可以利用太陽能、地熱能、海洋熱能、工業余熱廢熱等低品位能源轉化為電能。溫差發電器是能將熱能直接轉化成電能的固態裝置，具有結構簡單、穩定可靠、無運動部件、綠色環保等優點，廣泛地應用于航天、軍事領域，在廢熱的回收利用方面也展現出良好的應用前景。本文首先簡要地介紹了溫差發電技術的國內外研究進展，探討了溫差發電技術在國防工程電力系統建設中的應用前景，對發電系統進行設計，提出了存在問題并進行展望。

塞貝克效應 溫差發電 國防工程

0 引言

溫差發電結構簡單、無噪聲、使用壽命長，是被世界公認的綠色環保發電方式。由于其顯著優點，溫差發電在軍事、航空等領域得到了廣泛應用。隨著石油儲量日益減少，發達國家更加重視溫差發電技術在民用領域的研究。我國雖然在溫差發電理論和熱電材料制作方面具有一定的理論實力，但是在溫差發電器綜合設計和應用方面的研究還很欠缺。隨著智能電網技術不斷發展，國防工程的內部能源系統如何應對戰爭威脅已是當務之急，溫差發電系統提供了一個特殊的解決方式。

1 國內外溫差發電技術的研究進展

自20世紀60年代以來，由于國防、軍事等特殊行業需求，溫差發電技術的應用迅速發展，一些具有較好熱電性能的材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等相繼而生。前蘇聯和美國先后研發了數千個放射性同位素或核反應堆溫差發電器用作航空、海洋裝置的電源。隨著環境污染加劇和能源危機,人們開始關注溫差發電在廢余熱利用中的價值，很多國家已將發展溫差發電技術列為長期能源開發計劃。日本開展了一系列以“固體廢物燃燒能源回收研究計劃”為題的政府計劃，研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發電技術[1]。在美國能源部和紐約州能源研究開發權利機構資助下開發了汽車尾氣余熱發電系統，使用20組HZ-20熱電模塊，最大輸出功率255.1 W[2]。

國內在溫差發電方面的研究起步相對較晚，工業應用極少。80年代中期，中國能源所對半導體溫差發電相關課題進行過研究與試驗，到了90年代末，天津大學物理系也對“混合式溫差能利用技術”進行了試驗研究。國家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期間重點開展了海洋溫差能的研究，并于2012年成功建成了一座15 kW實用溫差發電裝置，填補了我國在此領域的空缺。

2 溫差發電技術在國防工程中的應用研究

2.1 應用背景

國防或地下工程內部能源供給系統必須滿足五方面要求:一是系統的安全與穩定;二是運行調節能力強;三是滿足地下工程對供電、供熱、制冷、除濕等多種綜合服務要求;四是低污染、低排放、低能耗、低噪聲及偽裝性能優良;五是注重經濟性[3]。

柴油機是目前為止熱機領域中效率最高的內燃機，對于國防工程發電設備選擇而言，柴油機以其較大的功率范圍、高可靠性、壽命長、經濟性等一系列優點，已取得了絕對的統治地位。其熱效率約為30～55%，而廢氣帶走的能量也占到了燃油發熱總值的25～40%，從而具有很大的回收利用潛力。尤其是對于大功率柴油機發電機而言，因其耗油量多，排放溫度高且排氣量大，所以其廢氣中蘊藏的可回收利用的能量非常大[4]。

表1 柴油機的熱平衡數值。從表中可見柴油機燃料燃燒所放出的能量僅有約三分之一被有效利用，其它的能量則通過廢氣、冷卻水等方式散發掉，而其中排氣散失的能量所占的比例較大，而且研究表明排氣能量的品質較高。因此，有效回收利用這部分能量對于降低能源消耗、提高柴油機對能源的整體利用效率、降低CO2排放等具有重要的意義。

然而目前在國防工程內部并沒有充分利用柴油機廢氣中這部分寶貴的能量，大部分只是將柴油機廢氣用于廢氣渦輪增壓器后通過廢氣鍋爐就直接排入大氣。更進一步而言，柴油發電機組的排氣溫度高達350℃以上，能量品位較高。對于品位高的余熱能量應該考慮先作動力利用，再作熱利用，以最大限度的回收其余熱能量。另一方面高溫煙氣排放極易暴露目標，難免遭受高科技尖端武器精確制導打擊，且柴油發電機組噪聲較大，對人員造成次傷害。

國內外對柴油機尾氣溫差發電研究還不夠成熟，在船舶用柴油機組余熱發電方面可能涉及較多，但在國防工程領域利用溫差發電技術，目前還是空白。

2.2 發展優勢

目前利用柴油發電機余熱發電有三種常見方式，一種是利用廢氣進行渦輪發電，一種是靠朗肯循環來實現蒸汽透平發電，還有一種就是溫差發電,也是目前在該領域應用較少的一種技術。

從市場前景來看，溫差發電技術相比其他兩種方式有以下幾個發展優勢：

1）節能效果明顯。對內燃機電站廢氣進行溫差發電的研究表明,對于一個1 MW的機組,如果排氣溫度為370℃,煙氣流量6000 m3/h,采用溫差發電扣除掉維持系統自身運行的冷卻水泵消耗功率后可以得到16 kW的功率,轉換效率為3.8%。通過溫差發電器發出的電完全可以滿足照明設施及其他用電設備的用電量。

2）經濟成本低。由于熱電材料的實際應用技術還在研究階段，價位相對較高，單個熱電模塊價格約50～250元。如果以后進入全面產業化階段，成本會進一步降低，這對于現有的柴油機組等運動部件的成本來說是微不足道的。

3）體積小、結構簡單。以熱電模塊F30345舉例，每片大約4 mm厚，面積為16 cm2，因此溫差發電器所占據的體積也是有限的。整個裝置只需將這些發電模塊串、并聯在一起，并用夾緊機構固定在排氣管或集熱板外側即可，安裝方便，這些優勢都有助于溫差發電技術運用在柴油機廢氣排放利用中。

2.3 系統設計

柴油機尾氣余熱溫差發電系統主要由集熱器、溫差發電片、冷卻器以及電子管理系統組成。集熱器接在內燃機排氣管上，通過收集內燃機尾氣中的余熱，并將熱量傳遞給半導體溫差發電片，而溫差發電片將熱能轉化為電能。冷卻裝置用來給半導體溫差發電片的冷端散熱，以增大冷熱端的溫差，從而提高發電效率，循環冷卻裝置可以集成到柴油機中，也可以采用單獨的循環水泵和散熱器。整個系統可分為熱電轉換部分、電力供給部分、冷卻裝置、控制器四部分。圖1是溫差發電系統的職能圖。圖2是溫差發電器的結構設計圖。

當柴油機啟動時，控制器接通系統電路和冷卻水泵，熱電模塊開始發電(待排氣管外壁溫度明顯上升后)，同時冷卻水循環系統開始工作。各熱電模塊間并聯，所發電流經電信號傳感器和放大電路處理后，接入恒流充電電路，儲存在蓄電池中。當蓄電池的電量充滿時，蓄電池檢測儀將信號傳給控制器，控制系統停止工作。當蓄電池電量不足50%時，蓄電池檢測儀將信號傳給控制器，控制系統再次啟動。產生的電能先經過升壓電路、穩壓電路，為其他用電設備供電，將富余的電能存儲在蓄電池中。蓄電池一部分電供直流設備使用，一部分經逆變器轉換為交流，供交流設備使用。

3 存在的問題

3.1 發電效率

溫差發電的效率效率普遍處于4～10%之間，遠低于火力發電的40%，最主要的原因是熱電材料性能不理想，另一方面是發電器的散熱問題，這大大限制其使用范圍。

3.2 發電匹配

發電機輸出功率與整個系統各個參數有關，如冷熱端溫差、接觸熱阻、回路電流、負載電阻等。在不同的工作條件下，溫差發電器的性能差別很大，需要尋找適合系統工作的最佳參數區。

3.3 環境因素

高溫會引起周圍雜質向熱電材料擴散，從而引起熱電材料的塞貝克系數減小。濕氣會使得在焊接處產生原電池，從而在接頭處產生電解腐蝕作用而導致設備損壞。

4 結論和展望

目前，針對汽車或內燃機排氣余熱利用已引起眾多國內外研究機構的興趣，溫差發電技術是其中比較新穎并更適合柴油機使用的一種余熱利用方式。它能夠通過溫差而產生電流，將柴油發電機組排放廢氣中的熱能轉化成電能，從而達到能源回收和節能目的，這是一個全新的課題。對半導體溫差發電來說，提高其發電效率主要由兩個方面，一方面是對溫差發電外部結構的優化分析，另一方面是尋找高優值的半導體溫差發電材料。提高溫差發電材料的優值系數是提高發電片發電效率的研究方向。還應考慮利用柴油機尾氣利用溫差發電發出的電能用來對尾氣進行靜電除塵。

[1] Kyono T, Suzuki R O, Ono K. Conversion of unused heat energy to electricity by means of thermoelectric generation in condenser[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18(1):330-334．

[2] 趙建云，朱冬生. 溫差發電技術的研究進展及現狀[J]. 電源技術，2010，34(03):310-313.

[3] 李集，諶力. 地下工程 PEMFC 分布式發電系統運行穩態安全評估[J]. 電氣技術，2014，（3）：50-54.

[4] 孫培廷，李斌. 船舶柴油機[M]. 大連:大連海事大學出版社，2002.

Review on Thermoelectric Power Generation Technology Used in National Defense Project

Li Kai1, Zhang Haitao2

(Engineering Institute of National Defense，PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007, China)

Thermoelectric power generation is an environment-friendly power source which can use the low-grade heat energy such as solar heat, geothermal energy, industrial waste heat and so on, to generate electricity. Thermoelectric generators are solid state devices which can directly convert thermal energy to electricity and have advantages of simple structure, reliability, no moving parts and being friendly to the environment, can be widely used in aerospace, military fields, and have broad prospects in application of recovery of industrial waste heat. This paper briefly reviews the recent developments and application status about thermoelectric, discusses the thermoelectric power generation technology applications in defense projects in the electricity system construction and gives problems of thermoelectric generators and their solutions.

Seebeck effect; thermoelectricity; defense projects

TM619

A

1003-4862（2015）03-0008-04

2014-10-18

李鍇(1987-), 男，碩士。研究方向：國防工程內部柴油機組尾氣溫差發電。