船舶主機缸套水余熱溫差發電裝置的實驗分析

宋赫，王洪明，董景明，曾維武

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.中國船級社青島分社，山東 青島 266071)

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船舶主機缸套水余熱溫差發電裝置的實驗分析

宋赫1，王洪明2，董景明1，曾維武1

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.中國船級社青島分社，山東 青島 266071)

針對不同因素對船舶主機缸套水余熱溫差發電裝置性能的影響問題，搭建船舶主機缸套水余熱溫差發電實驗裝置，實驗表明，熱交界面材料的種類和溫差發電片連接方式會直接影響溫差發電裝置的性能。采用液態導熱硅脂作為熱交界面材料可有效地提高溫差發電裝置的發電性能；串聯和并聯方式獲得的最大輸出功率相近，但串聯方式所匹配的負載約為并聯方式的4倍，所獲得的開路電壓約為并聯的2倍。

船舶；缸套水；余熱回收；溫差發電

船舶營運過程中主機會產生大量低品位熱能，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的燃油利用率，降低船舶能效營運指數(EEOI)，從而獲得巨大的經濟價值，同時滿足國際公約的相關要求。

圖1 MAN 12K98ME/MC型柴油機熱平衡圖[1]

溫差發電技術是一種綠色的能量轉換技術，可將熱能直接轉換為電能，在余熱利用方面有著獨特優勢，能將工業余熱、太陽能等熱量轉化為有用的電能[2]。已有的研究表明溫差發電技術在船舶上應用可行[3]，以WD615型柴油機煙氣余熱為熱源的溫差發電裝置，采用902片溫差發電片，發電裝置的效率為1.14%，可輸出的最大功率為603.4 W[4]。以船用中速柴油機為研究對象，對煙氣余熱溫差發電性能進行仿真模擬，當柴油機在額定工況下運行時，最大輸出功率可達705.6 W[5]。目前，船舶余熱溫差發電技術的研究主要集中于煙氣余熱的回收利用，而對缸套水余熱回收的研究相對較少。為此，考慮針對船舶主機缸套水余熱的特點，設計并搭建主機缸套水余熱溫差發電實驗裝置，分析熱交界面材料的種類和溫差發電片連接方式對溫差發電裝置性能的影響。

1 實驗裝置

溫差發電裝置實驗系統原理見圖2。系統主要包括溫差發電片、冷卻器、加熱器和數據采集裝置。系統中使用保溫材料對溫差發電裝置進行隔熱處理。

圖2 溫差發電裝置實驗系統原理

為了使實驗參數與實船主機缸套水系統參數更為接近，采用80、85、90和95 ℃的高溫淡水模擬主機缸套水作為熱源，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數據采集儀進行數據采集；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自動量程，正常誤差小于5 mV，最大誤差為17 mV。

實驗中，將開關K2和K4閉合，開關K1和K3斷開，進行串聯實驗；將開關K1，K3，K4閉合，斷開開關K2，進行并聯實驗。

2 結果與討論

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，上述兩表面貼合時實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，最終導致溫差發電裝置的性能降低。

圖3 溫差發電片表面微觀圖

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溫差發電裝置性能的影響，分別選取石墨導熱貼和A3導熱硅脂作為熱交界面材料。實驗采用SP1848型溫差發電片，發電片數量和連接方式為雙片并聯，溫差發電片與換熱器之間的緊固螺栓的上緊轉矩為0.3 N·m。

分別使用導熱硅脂和導熱貼時，不同熱源溫度下溫差發電裝置輸出功率隨負載阻值變化見圖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，采用導熱貼時溫差發電裝置的最大輸出功率分別為0.406、0.484、0.575和0.666 W，采用導熱硅脂時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，采用液態導熱硅脂能夠更好地減小溫差發電片與換熱器之間的接觸熱阻，從而提高溫差發電性能。

采用石墨導熱貼，以及導熱硅脂作為熱交界面材料時的伏安特性見圖6、7。

圖6 采用導熱貼時的伏安特性

圖7 采用導熱硅脂時的伏安特性

可以看出，熱源溫度分別為80、85、90和95 ℃時，采用液態導熱硅脂作為熱交界面材料時可獲得的最大電流與采用導熱貼時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，越適合采用液態導熱硅脂作為熱交界面材料熱交界面材料。

分別采用石墨導熱貼與導熱硅脂時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，采用導熱硅脂時的開路電壓明顯高于采用石墨導熱貼時的值。同時，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，導熱硅脂的優勢越明顯。

2.2 溫差發電片連接方式的影響

采用TEP126型溫差發電片開展實驗。雙片TEP126發電片串、并聯輸出功率見圖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，但是串聯時輸出功率隨負載阻值的變化改變較小，相對穩定。串聯時匹配負載為5.0～5.5 Ω，并聯時匹配負載為1.2～1.4 Ω，串聯時匹配負載約為并聯時的4倍。

圖9 TEP126雙片串聯輸出功率

圖10 TEP126雙片并聯輸出功率

熱源溫度為80、85、90和95 ℃時，溫差發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，分析認為雙片聯接后回路中電流增大，內阻由于焦耳效應產生的損耗有所增加。

雙片TEP126型號發電片串聯和并聯2種連接方式下的伏安特性見圖11。該曲線驗證了串聯易獲得較高電壓、并聯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，這是由于串、并聯在不同負載阻值下取得最大輸出功率，隨著負載阻值的增加，并聯方式先取得最大輸出功率，阻值繼續增加，并聯方式的輸出功率開始下降，此時串聯輸出功率仍未獲得最大輸出功率而繼續上升，于是出現兩者輸出功率、電流和電壓值分別相同的情況。

圖11 TEP126雙片串、并聯的伏安特性

不同溫度下，雙片TEP126溫差發電片串、并聯時的開路電壓見表1。由表1可知，相同工況下串聯所獲得的開路電壓約為并聯時的2倍，溫度對開路電壓的影響較符合線性關系。

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、匹配負載以及開路電壓，應用中應根據實際需求采用合適的連接方式，以提高溫差發電裝置性能。

3 結論

1)熱交界面材料能有效減小接觸面熱阻，提高溫差發電效率。與固態石墨導熱貼相比，液態導熱硅脂能夠更好地減小溫差發電片與換熱器之間的接觸熱阻，使用液態導熱硅脂作為熱交界面材料能使溫差發電裝置取得更高的發電性能。熱源溫度越高時，液態導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應的最大輸出功率、匹配負載以及開路電壓不同。雙片溫差發電片串聯和并聯方式可獲得的最大輸出功率相近；串聯易獲得較高電壓、并聯易獲得較大電流，兩者存在輸出功率、電流和電壓值分別相同的情況。實際應用中，應根據負載阻值的不同選用合適的溫差發電片連接方式，以提高溫差發電裝置的性能。

[1] 康春錄.船舶余熱蒸汽噴射器的數值模擬及實驗研究[D].大連:大連海事大學,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.半導體熱電發電在船舶上應用的可行性研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.

[4] 孔秀華.WD615型發動機排氣余熱發電裝置的設計[D].大連:大連海事大學,2010.

[5] 葉曉軍.船用中速柴油機廢氣余熱發電技術研究[D].廈門:集美大學,2015.

[6] 張平.界面接觸熱阻的研究進展[D].南京:南京理工大學,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