船舶溫差發電裝置性能分析

凌君誼

（上海海事職業技術學院，上海 200120）

在環境污染不斷加劇的嚴峻形勢下，節能環保需求日趨突出，如何在綠色環保的前提下更加高效地利用能源是當前關注的熱點[1]。海運業承載了全球90%以上的商品貿易貨運量，船舶作為其主要載體，存在能耗較大、余熱浪費嚴重的弊端。據統計，能耗占船舶運營總成本的比例如下：小型運輸船為25%～30%，定期客貨船約為35%，散貨船約為50%，油船約為60%[2]。

溫差發電溫差熱發電技術是一種利用高、低溫熱源之間的溫差，采用低沸點工作流體作為循環工質，在朗肯循環基礎上，用高溫熱源加熱并蒸發循環工質產生的蒸汽推動透平發電的技術，是一種綠色能源技術，具有可將熱能直接轉化為電能等諸多優點，在廢熱回收利用領域的前景十分廣闊[3-5]。

從現有的相關文獻來看，學者的研究主要集中在如何提升溫差發電片的發電效率。溫差發電片的性能研究參差不齊，所得出的實驗結果差異較大?；谀壳皽夭畎l電裝置在船舶余熱回收方面的應用現狀和不足，本文研究了熱端溫度、安裝壓力、冷卻方式、導熱硅脂和擾流方式對溫差發電的影響規律。

1 溫差發電實驗準備

1.1 實驗裝置

溫差發電模塊發電效率測試平臺主要包括溫差發電模塊、熱源裝置、冷源裝置、安裝壓力調節裝置、輸出電流測量裝置、輸出電壓測量裝置、輸出功率測量裝置、外接負載調節裝置及溫度測量裝置等。

溫差發電模塊如圖1 所示，詳細參數如表1 所示。

圖1 溫差發電片

表1 溫差發電片詳細參數

工作條件：冷端溫度30 ℃，熱端溫度200 ℃。

圖2 為熱源裝置外形圖，詳細參數如表2 所示。冷源裝置分為鋁合金水冷板和恒溫冷卻水浴機，如圖3所示，具體參數如表3 所示。

表3 冷源裝置詳細參數

圖3 冷源裝置

表2 熱源裝置詳細參數

圖2 熱源裝置

安裝壓力調節裝置主要由氣動沖床和空氣壓縮機組成，如圖4 所示，通過調節氣動沖床對溫差發電模塊所施加的安裝壓力，從而研究不同安裝壓力下的發電性能。

圖4 壓力裝置圖

功率測試儀裝置如圖5 所示，其采用納普高精度功率計測試儀來測量溫差發電模塊的發電性能，詳細參數如表4 所示。

表4 功率測試儀裝置詳細參數

圖5 功率測試儀裝置圖

熱電偶數據采集模塊如圖6 所示，其采用美國歐米茄八通道USB 熱電偶數據采集模塊，詳細參數如表5 所示。

表5 熱電偶數據采集模塊詳細參數

圖6 熱電偶數據采集模塊

1.2 實驗條件

利用本實驗裝置主要測量溫差發電模塊在不同外界條件下的發電性能，環境溫度為10 ℃，外界影響條件主要包括熱源溫度、冷卻方式、安裝壓力、界面傳熱等。實驗條件匯總如表6 所示。

表6 溫差發電模塊性能測試實驗條件

1.3 實驗過程

在實驗中采取3 種不同安裝壓力，并保持壓力不變，且在不同組的實驗中安裝壓力逐次遞增。設置冷源裝置，本文采用風冷和水冷2 種冷卻方式。當采用水冷時為保持溫差發電片冷端溫度恒定，在實驗階段設定水浴的溫度為20 ℃。如果采用風冷方式，此時主要靠散熱翅片的對流換熱對溫差發電模塊進行冷卻。設定溫差發電裝置的熱源溫度，實驗中設定了100 ℃、140 ℃和180 ℃這3 種溫度。記錄實驗數據，當裝置達到穩態時進行實驗參數記錄，所記錄的實驗參數主要包括熱端溫度、冷端溫度、開路電壓、負載電壓、負載功率等。為降低實驗測量誤差，記錄上述參數10 次，每次記錄間隔1 min，最后取10 次平均值進行計算分析。

2 溫差發電實驗結果與分析

由溫差發電機理可知，溫差是影響發電模塊發電性能的最主要因素。本文分別研究了熱端溫度為100 ℃、140 ℃和180 ℃，安裝壓力分別選取0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 條件下溫差發電模塊的發電性能。其他實驗條件為水冷、無硅脂。在此實驗條件下開路電壓和輸出功率與熱源溫度之間的關系如圖7 所示。安裝壓力對開路電壓和輸出功率的影響如圖8 所示。恒定條件為水冷、無導熱硅。

圖7 熱源溫度對開路電壓和輸出功率的影響

圖8 安裝壓力對開路電壓和輸出功率的影響

由圖7 可知，開路電壓隨熱源溫度升高而升高且基本呈線性增長。當安裝壓力為0.3 MPa、熱源溫度為100 ℃、140 ℃和180 ℃時，發電模塊開路電壓分別為23.62 Ⅴ、31.14 Ⅴ和38.35 Ⅴ，熱源溫度為140 ℃、180 ℃時與100 ℃相比開路電壓的增長率分別為31.8%和62.4%。

與開路電壓趨勢相同，最大輸出功率隨熱源溫度的升高而升高。當安裝壓力為0.3 MPa、熱源溫度為100 ℃、140 ℃和180 ℃時，發電模塊最大輸出功率分別為4.85 W、8.09 W 和10.95 W，熱源溫度為140 ℃、180 ℃時與100 ℃相比最大輸出功率增長率分別為66.8%和125.8%。由于安裝壓力可以在一定程度上增強界面傳熱，而且強化界面傳熱可以減少溫差發電模塊冷、熱端與冷熱源之間的傳熱溫差，從而提高溫差發電模塊冷、熱端溫差繼而提高溫差發電性能。

由圖8 可知，當熱源溫度為180 ℃、安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 時，溫差發電模塊對應的開路電壓分別為36.29 Ⅴ、37.23 Ⅴ和38.35 Ⅴ，安裝壓力為0.2 MPa、0.3 MPa 時，與0.1 MPa 相比安裝壓力增長率分別為2.59%和5.68%。

與開路電壓趨勢相同，溫差發電裝置最大輸出功率隨安裝壓力的升高而升高。當熱源溫度設為180 ℃、安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 時，該裝置最大輸出功率分別為9.71 W、10.30 W 和10.95 W，安裝壓力為0.2 MPa、0.3 MPa 時，與0.1 MPa 相比最大輸出功率增長率分別為6.08%和12.77%。隨著安裝壓力增大，溫差發電模塊與冷、熱源之間的界面傳熱效果會增強，從而擴大模塊冷熱端溫差，進而使開路電壓輸出值增大。在無硅脂、安裝壓力為0.3 MPa 的實驗條件下，采用風冷和水冷2 種冷卻方式，開路電壓和輸出功率隨熱源溫度的變化規律如圖9、圖10 所示，恒定條件為安裝壓力為0.3 MPa，無導熱硅脂。不同的熱源溫度下采用水冷的開路電壓較風冷方式有顯著提升。

圖10 水冷對輸出功率的影響

由圖9 可知，當熱源溫度為100 ℃時，水冷與風冷相比較開路電壓由15.82 Ⅴ提升至23.62 Ⅴ，提升了49.3%。當熱源溫度為140 ℃時，水冷與風冷相比較開路電壓由20.63 Ⅴ提升至31.14 Ⅴ，提升了50.9%。當熱源溫度為180 ℃時，水冷與風冷相比較開路電壓由24.96 Ⅴ提升至38.35 Ⅴ，提升了53.6%。

圖9 水冷對開路電壓的影響

由圖10 可知，當熱源溫度為100 ℃時，水冷與風冷相比較輸出功率由2.19 W 提升至4.85 W，提升了121.5%。當熱源溫度為140 ℃時，水冷與風冷相比較輸出功率由3.54 W 提升至8.09 W，提升了128.5%。當熱源溫度為180℃時，水冷與風冷相比較輸出功率由4.41 W 提升至10.95 W，提升了148.3%。

在不同的熱源溫度下冷端溫度隨冷卻方式的變化規律如圖11 所示，恒定條件為安裝壓力0.3 MPa，無導熱硅脂。當熱源溫度分別為100 ℃、140 ℃和180 ℃時，采用風冷所對應的冷端溫度分別為63.9 ℃、93.15 ℃和112.16 ℃，而采用水冷所對應的冷端溫度分別為20.1 ℃、23.5 ℃和31.2 ℃。采用風冷方式無法及時散失冷端熱量是導致溫差發電片性能較差的主要原因。

圖11 風冷和水冷對冷端溫度的影響

當熱源溫度為140 ℃、冷源溫度為20 ℃條件下，涂抹導熱硅脂后對開路電壓和輸出功率的影響如圖12、圖13 所示，恒定條件為熱源溫度140 ℃，冷源溫度為20 ℃。

圖12 導熱硅脂對開路電壓的影響

圖13 導熱硅脂對輸出功率的影響

由圖12 可知，當安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 M P a 時，涂抹導熱硅脂后開路電壓分別由30.18 Ⅴ，30.97 Ⅴ和31.14 Ⅴ提升至44.06 Ⅴ、44.28 Ⅴ和44.48 Ⅴ，分別提升了46.0%、43.0%和42.8%。

由圖13 可知，當安裝壓力為0.1 MPa、0.2 MPa和0.3 MPa 時，涂抹導熱硅脂后輸出功率分別由7.54 W、7.85 W 和8.09 W 提升至17.9 W、18.1 W 和18.21 W，分別提升了137.4%、130.6%和125.1%。由于溫差發電片冷、熱端面與冷熱源之間存在接觸熱阻，影響三者之間的熱傳遞。在干接觸狀態下由于兩接觸表面之間會存在空隙，而空氣的導熱系數很低，從而會增大接觸熱阻，進而減少熱源向溫差發電片熱端和溫差發電片冷端向冷源之間熱傳遞。通過涂抹導熱硅脂的方式可以消除兩固體接觸表面之間的微空隙，進而增強傳熱。同時發現在涂抹導熱硅脂后，開路電壓基本不隨安裝壓力的升高而變化。這是因為當涂抹導熱硅脂后，硅脂與固體表面潤濕性較好，可以有效地消除兩接觸表面之間微空隙，此時增加安裝壓力也不會進一步顯著提升界面傳熱效果。

3 船用溫差發電裝置設計

3.1 實驗裝置

為了測試船用溫差發電裝置性能，本文設計了如圖14 所示的測試平臺系統。該系統利用工業熱風機作為熱源模擬柴油機尾氣參數，利用波紋管將工業熱風機與溫差發電裝置原型機相連接組成封閉循壞系統。

圖14 船用溫差發電裝置

本文所采用的擾流裝置分為單頭螺旋葉片擾流裝置和雙頭螺旋葉片擾流裝置，如圖15 所示。在實驗過程中，將擾流裝置插入方箱內，此時在擾流裝置的作用下，進入方箱的熱空氣會螺旋前進，熱空氣在螺旋前進過程中會與方箱四壁發生碰撞，從而增加對流換熱系數。

圖15 擾流裝置

3.2 實驗結果與分析

在測試裝置中利用工業熱風機的設定溫度來模擬船舶尾氣溫度。根據目前船舶主機、發電機的排煙溫度，3 片為一組，16 組串聯，在實驗過程中設定工業熱風機的溫度分別為300 ℃、350 ℃和400 ℃，然后測量原型機法的發電性能。冷、熱端面溫度隨熱風機出口溫度的變化關系如圖16所示，恒定條件為無擾流。當熱風機出口溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時對應的熱端溫度為96.5 ℃、106.9 ℃和123.0 ℃，對應的冷端溫度為36.6 ℃、41.2 ℃和48.1 ℃，兩者之間溫差分別為59.9 ℃、65.7 ℃和74.9 ℃，說明在此種結構下熱空氣無法通過有效對流換熱將熱量傳遞給溫差發電片。

圖16 熱風機出口溫度對冷、熱端溫度的影響

熱風機出口溫度對輸出電壓、功率的影響如圖17所示，恒定條件為無擾流。由圖17 可知，開路電壓隨熱風機溫度升高而升高且基本呈線性增長規律。當無擾流、熱風機溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時，溫差發電裝置開路電壓分別為13.68 Ⅴ、14.92 Ⅴ和16.74 Ⅴ，與熱源溫度為300 ℃相比增長率分別為9.06%和22.37%。此時輸出電壓小于圖10 中的輸出電壓，這是因為多片組合在一起，冷卻效果變差。

圖17 熱風機出口溫度對輸出電壓、功率的影響

與開路電壓趨勢相同，溫差發電裝置原型機的最大輸出功率隨熱風機出口溫度的增加呈現線性增加趨勢，當熱風機出口溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時對應的最大輸出功率分別為20.19 W、25.92 W 和31.85 W，熱風機出口溫度為350 ℃、400 ℃時，與300 ℃相比最大輸出功率增長率分別為28.38%和57.75%。與圖7 相比，該輸出功率遠遠低于溫差發電片的額定輸出功率，其原因主要是熱空氣的能量不能有效傳遞給溫差發電片。

添加擾流裝置后溫差發電裝置開路電壓與熱風機出口溫度的變化規律如圖18 所示。當熱風機溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時，單頭螺旋葉片擾流開路電壓分別為16.9 Ⅴ、19.1 Ⅴ和20.89 Ⅴ，單頭螺旋葉片擾流與無擾流相比開路電壓增長率分別為23.54%、28.02%和24.79%。添加擾流裝置與無擾流裝置相比開路電壓有顯著提升，同時發現單頭螺旋葉片擾流效果好。

圖18 擾流對輸出電壓的影響

添加擾流裝置溫差發電裝置輸出功率與熱風機出口溫度的變化規律如圖19 所示。當熱風機溫度為300 ℃、350 ℃和400 ℃時，單頭螺旋葉片擾流輸出功率分別為32.7 W、40.52 W 和47.54 W，單頭螺旋葉片擾流與無擾流相比輸出功率增長率分別為61.96%、56.33%和49.26%。與開路電壓變化規律相似，添加擾流裝置與無擾流裝置相比輸出功率有顯著提升，同時發現單頭螺旋葉片擾流效果比雙頭螺旋葉片擾流效果好。由于擾流裝置促進了熱空氣與方箱內壁之間的熱交換，從而提升溫差發電裝置熱端溫度。

圖19 擾流對輸出功率的影響

4 結論

研究表明，水冷比風冷發電性能好，安裝壓力對裝置的性能影響較小，導熱硅脂和熱源溫度對裝置的性能影響較大。由于水冷可以為溫差發電裝置提供恒定的冷源溫度，但是需要額外布置制冷裝置、循環水泵及相應管系并且會消耗電能。風冷只需將散熱翅片安裝在溫差發電模塊冷端即可，它是依靠自然對流換熱對冷端進行冷卻，因此其具有結構簡單、安裝方便、無需后續維護保養及不需要額外消耗能源等優點，當熱風機溫度為300 ℃時，使用單頭螺旋葉片擾流時，裝置的最大功率達到47.54 W。