深海熱液溫差發電系統研究

梅翔 崔潤揚 鄭煜輝 辛光紅

（三亞學院，海南 三亞 572000）

海底熱液俗稱海底黑煙囪是指海底火山在巖質圈與海水發生的熱能與化學物質相互之間發生交流的過程， 具體特點為有高溫熱液涌出。海底熱液研究對揭示生命起源、物種演化、生物成礦的機理具有重大意義。解決觀測海底熱液活動設備的能量供給是進行長期駐點觀測的首要保障。本項目利用海底熱液產生的溫差勢能結合輪機、溫差發電片設計了有效可行的方案。

1 項目研究的背景與理論依據

1.1 海底熱液情況概述

海底熱液大多分布在2000 米至3000 米深度范圍的海底，其一般溫度為200 攝氏度左右，最高溫度可達400 攝氏度。而周圍海水的溫度只有2-4℃，深海熱液區巨大的溫度梯度使其蘊含巨大的溫差能，全球深海洋中脊熱液區的熱通量達到1.5-2.8TW 有效的利用這些溫差能，為深海探測設備提供能量供給具有重要的科學研究價值。目前國內外已開展了對深海熱液溫差能利用裝置的研究，但都只停留在理論階段，還沒有研發出能有效的將深海熱液溫差能轉化為電能的溫差能發電裝置[1]。

1.2 溫差發電原理

溫差發電技術的基本原理是塞貝克效應，其內容是:將P 型和N 型兩種不同類型的熱電材料的一端相連形成一個PN 結，并使之一端處于高溫狀態，另一端處于低溫狀態，由于熱激發的作用，P(N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，由于存在濃度梯度，使得空穴和電子向低溫端擴散產生電動勢，通過熱電材料熱端和冷端之間的溫度差，實現了熱能向電能的直接轉化。由于一個PN 結所能形成的電動勢非常小，因此在實際應用中將很多PN 結，按照一定的方式連接起來，以獲取足夠高的電壓，這就是溫差發電器的基本原理。

1.3 汽輪機熱- 電能發電在深海熱液中的應用

朗肯循環系統既屬于水蒸氣動力循環系統， 也是蒸汽動力設備的基礎循環系統， 現在所有水蒸氣類的復雜循環系統幾乎都是以它為基礎而發展出來的。朗肯循環系統指的是以蒸汽為循環工質的一個理想循環系統流程，大致分為四個步驟:等熵壓縮過程、等壓加溫流程、等嫡膨脹過程和等壓冷卻流程。其中朗肯循環系統基本上是由水泵、鍋爐燃燒設備、汽輪機、冷卻器這四個最重要的設備所構成。考慮了海底熱液溫度差與水發電朗肯循環系統工作的環境特性， 通過使用水加熱器回收熱液口所涌出的高溫水和高壓熱液中的熱量， 并使用它加熱朗肯循環工質;把加溫之后的循環工質，經由預制保溫管道導入到微小汽輪機中通過擴張作功， 由微小汽輪機的轉動臂拉著汽輪機轉動開始發電;使用高熱液口周圍水溫比較低的海水，制冷到微小汽輪機擴張作功之后流入冷凝器的乏汽;然后，使用自動化水泵把制冷之后的朗肯循環工質， 再次送到高溫加熱器中完成一個循環過程。

2 深海熱液流速與溫度場分析

海底熱液因溫度高、流速塊噴出的熱液流體不是很快就能與海水混合并達到平衡，而是以熱液柱的形式在海水中存在并隨流漂移一段時間。由已有的深海熱液活動環境建模分析可知熱液柱中軸速度與熱液流體上升高度的關系如圖1。熱液柱流動速率約為1m/s，平均垂直流速在10cm/s 左右;熱液柱上升時，存在旋轉運動，速度在10cm/s 的量度。

圖1 熱液柱中軸速與升高度關系

海底熱液攜帶有大量金屬元素，由噴氣孔中自動釋放的熱液很快就被周圍海洋所稀釋并進行了大量的沉積、氧化等反應，從而產生了懸浮顆粒物的熱液羽流。通過監測海洋水域的熱流量值、細顆粒物含量、特征化學元素濃度等的異常值和分布，可以獲取海洋熱液擴散數據。在已有數據基礎上通過數值計算模擬出熱液溫度場呈單峰形狀分布[2]。熱液口溫度場仿真圖如圖2所示。

圖2 熱液口溫度場仿真圖

3 發電系統及結構設計

3.1 機械能發電系統

微型汽輪機作為機械能發電的一部分采用了朗肯循環設計，是熱能回收發電體系中最關鍵的一部分，結構如圖3 所示。因為整個微小渦輪設備工作的環境是在水底， 而且全部設備都必須采用深潛器進行布設，所以就需要外型非常簡潔、體積小巧才可以達到整體布局的需要。整個微小渦輪設備的密閉與耐壓的條件， 以及外型簡潔的特點是通過采用了單獨設計的一個耐壓密封型腔而完成， 整個微小渦輪設備的通流循環工質的管子以及發電機均布設于這個耐壓密閉型腔內。而整體的微小渦輪設備就外形來看是一個耐壓密閉型腔， 通過共鳴腔體的端蓋與上面設計的通流循環工質的管子連接， 以及通過傳遞電力的水密接口。采用這種的設計方式可使安裝軸承轉子葉片和隔墻板的缸體設計更加簡化， 因為此時缸體的設計已經不需顧及抗壓的條件，而僅需顧及了安裝隔墻板、支承電機轉子葉片，以及布局通流循環工質的通道問題。這也就大大簡化了微型渦輪設備缸體的設計問題與工藝難點， 同時有效運用了缸體和抗壓密封型腔間的空隙，還能夠發揮在通流做功之后循環工質的功能，從而縮短了通流部分的架構設計[3]。

圖3 微型汽輪機裝置的裝配圖

3.2 半導體溫差發電系統

以TES112703 為基礎，設計了溫差發電單元的基本結構。溫差發電片TES112703 的數據參數如表1。

表1 TES112703 性能參數

當確認了溫差水力發電葉片的型式之后， 按照材質的熱性能參數， 并考慮了在高溫水力發電片中的材質在向室溫轉變的過程當中，熱導率是否會有改變。從數據上來說，在溫差水力發電片中BiaTe 三材質的導熱系數在30-315℃較大的工作溫度區域內，變化值為2W/mK 左右并隨環境溫度的升高而增大，而且這種數據在與發電設備中的熱端與冷端金屬材料鋁合金的200W/mK 的熱導率值相比下也可忽略不計， 于是從熱分析方法中， 把BiaTe 三材質的導熱系數確定為常溫26℃以下1.4W/mK并進行了求解。利用ANSYS 進行熱學模擬分析，經過多次實驗對比后發現增加2.3mm 造成的溫差變化大了約2℃， 相當于針長增大1mm 溫差變化增大0.8℃;對比而言，針長增大了8mm 溫差變化大了約7℃，增大了1mm 溫差變化增大0.9℃。則得出以下結論：針長越短，每增加單位長度針長，所帶來的散熱效應就更大。

根據上述，本文最終設計的溫差發電單元的基本結構設計，如圖4。溫度發電片30*30mm 的長寬約為溫度發電片中熱電偶排布的范圍，但因為要拉出熱導線，所以該溫度發電單元的外部實際長度是34*30*4mm。

圖4 結構分布圖

整套控制系統的機械構成分為:溫度提取模組，熱電轉化模組，供電控制和管理模組，保護模組。圖中的各數值指代含義是:1- 加固螺釘，2- 熱端集熱模組，3- 溫度發電片，4- 定位框，5- 電源管理模塊，6- 冷端散熱模塊，7- 冷端。

4 電路控制系統

溫差發電裝置電源管理電路通過Boost 升壓電路，將由溫差發片所形成的的較低的電流進行升壓[4]。

BooSt 電路的工作機理: 在電路開關S 閉合時， 輸入電流V一為電感L 補充，而兩極體Vd則陰止了電容器C 對地的釋放電流，經過一段時間之后，在電路開關S 斷開時，因為電感的特性，流過電感的電流并不是在一瞬間變成零， 而是沿著原來輸入電流的方向慢慢地降至零，此時二極管Vd導通，而電感L 為電容C補充，電容二端電壓也就高過了輸入電流V1。

穩壓采用LM系列穩壓芯片，其集成電路構造簡潔，架設方式相當容易能夠非常簡單的把5V 的輸入電流穩定輸出，通過查看使用手冊中顯示， 輸入電流應該在3.5V-40V 的范圍之內，而輸出電壓則根據集成電路中的R1與R2決定：

因此，使用變陰器R 可以根據計算隨時改變輸出電壓的數值。因為最低輸入電壓為3.5 V，在溫差發電領域，3.5V 的發電電壓一般存在于由多個溫差發電片連接使用的場合。

通過BQ2_5_570 使用手冊可知， 其能夠以全冷啟動電壓330mV 起步，一旦啟后就能夠從最低100mV 的輸送電流范圍中繼續工作，在工作輸送電流范圍能夠保持在低于5nA，并且還具備可程序設計的最大工作功率點跟蹤(MPPT)采集網絡，和有效優化了進入供電元件中的電量傳送的控制功能， 里面設有欠壓電平防護模組，或更程序化的過壓電平防護模組，能夠實時為可充電電池以及超級電容或儲能裝置充能。所以，BQ25570 可視為一款功能強勁的超低功耗低壓采錄器。通過對其串聯連接可獲得較高的發電電壓。

5 熱循環系統構造設計

由于應用環境是高溫高壓的海底，且海水具有較強的腐蝕性。所以熱液管道設計所選材質應具有耐高溫高壓、防腐蝕等特性。本項目為了增加發電效能、縮小發電裝置體積，采用螺旋結構設計。螺旋結構可用有效增加單位體積下管道長度，增加溫差發電片數量，提升效能。熱循環管道如圖6 所示，溫差發電片安裝如圖7 所示。溫差發電片的集熱端安裝在管道壁上，冷面朝向海水，達到溫差比，實現溫差高效利于。

圖6 熱循環管道螺旋結構

圖7 溫差發電片在管道安裝示意圖

配合熱循環管道結構和機械穩定性分析，熱循環整體外觀殼體采用穹頂結構，如圖8 所示。穹頂設計為上下兩部分，中間用支柱連接，海水從空隙中流進流出。穹頂結構設計的優點包括以下兩點。一是可用給熱液管道保護支撐，增強系統的機械強度和穩定性。二是穹頂結構降低了熱液溫差場的橫向擴散，在縱向擴撒上起到約束引導作用，提高了熱液溫差的有效利用率。

圖8 穹頂殼體設計

6 整體裝配及總結

整個發電裝置整體裝配如圖9 所示。包括一級“朗肯循環”汽輪機發電和二級TES112703 溫差能發電部分，以及上下穹頂和底座等其他零部件。溫差發電片的集熱端安裝在管道壁上，冷面朝向海水，達到最佳的散熱效果。穹頂設計為上下兩部分，中間用支柱連接，主要作用為給熱液管道保護支撐以及增加溫差發電管路長度[5]。從設計到仿真模擬，再到最終的產品成型還有很多的實驗要做，數據要測。本文設計的海底熱液溫差發電方案是對利用海洋能源的有益嘗試，具有一定借鑒價值。

圖9 整體裝配圖