船用柴油機排氣余熱溫差發電技術研究

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)

船用柴油機排氣余熱溫差發電技術研究

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)

基于循環導熱介質設計了1種船用柴油機排氣余熱溫差發電裝置，并通過柴油機試驗臺架測試了該裝置內部溫度分布規律以及電能輸出特性。試驗結果表明,該裝置通過循環導熱的方式，為冷、熱端提供十分均勻穩定的溫度，有利于高品質電能的輸出，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電技術作為一種綠色環保的發電技術，可將排氣中蘊含的熱能直接轉化成電能，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。但此項技術在國內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使用[3-5]。

本文結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電裝置的基礎上，設計了1套采用循環載熱介質的船用柴油機排氣余熱溫差發電裝置，通過試驗分析其應用的可行性，并針對試驗結果提出改進措施。

1 余熱發電的理論基礎

熱電元器件是溫差發電裝置的核心，能夠實現熱能到電能的轉換，發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 發現，2種不同的金屬經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阻的存在以及熱傳導現象的影響。

熱電材料內部由溫差而產生的電壓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，V/K；ΔT為T2與T1的差， K。

目前余熱發電的轉換效率不高，主要是受熱電轉換材料的限制，效率約為10%。考核轉換效率的性能指標一般用溫差電優值，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，常常用無量綱優值ZT作為評價材料熱電轉換效率的標準。要提高材料的熱

電轉換效率，關鍵在于找到溫差電優值更好的材料。

目前，國內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屬于低溫段熱電轉換效率最高的材料，主要用于制冷元器件。300～500 ℃時，PbTe展現出良好特性，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

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

換熱模塊是實現載熱介質(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交換發動機排氣熱量，排氣中的熱量流經換熱模塊，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換模塊。裝置結構如圖5所示。

熱電轉換模塊是實現熱能-電能轉換的場所。熱電模塊由8個TEP-1型熱電器件以串并聯的形式構成1組，共3組，實現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效應實現熱電轉換。

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

圖4 溫差熱電裝置原理圖

圖5 溫差熱電轉換模塊結構

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

3 試驗結果及分析

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為導熱油循環流量。

試驗數據表明，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。對以上數據進行處理，計算熱電材料的熱電效率，得到的結果見表3。

表1 排氣工況表

表3 計算結果

試驗結果表明：溫差發電裝置能夠穩定地輸出電壓和電流，但熱電轉換效率并不高，后續進一步提高熱電元器件轉換效率是一個研究方向。

4 結論

在試驗的基礎上，為提高余熱的回收利用效率，根據試驗結果必須對溫差發電裝置的結構進行改進，建議如下。

(1)導熱油循環換熱系統與直接使用熱電片相比，電源模塊可以呈現更加穩定的電能輸出。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的方式再增加幾組熱電模塊，實現余熱的多級回收利用。

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

(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換效率。

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

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

[1] 涂小亮, 倪計民, 石秀勇. 汽車發動機排氣余熱溫差發電技術的研究[J]. 汽車技術, 2015(4)：22-25，40.

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

[3] 歐陽羽宸, 葉似錦, 陳耀武，等. 基于船舶柴油機排氣管的溫差發電裝置[J]. 電子世界, 2013(8):38-42.

[4] 徐立珍, 李彥, 楊知，等. 汽車尾氣溫差發電的實驗研究[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2010(2):287-289.

[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電、船舶污染物排放控制。

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