基于溫差發(fā)電的船舶余熱利用系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

蔡之洲+鄭彤+聶偉民+程振+徐羅琳+葉林銳

[摘 ?要]筆者主要簡(jiǎn)要介紹了溫差發(fā)電技術(shù)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，在塞貝克效應(yīng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種發(fā)電模塊和電能管理模塊所組成的溫差發(fā)電裝置。接著闡述該設(shè)計(jì)在船舶領(lǐng)域上使用的原理。最后探討該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)原理，探究系統(tǒng)與設(shè)計(jì)所能帶來的經(jīng)濟(jì)收益，同時(shí)和別的節(jié)能設(shè)計(jì)相對(duì)比。

[關(guān)鍵詞]溫差發(fā)電;船舶余熱;節(jié)能設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U664.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）22-0082-01

1 研究背景

19世紀(jì)初，國(guó)外學(xué)者塞貝克發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，國(guó)外對(duì)溫差發(fā)電技術(shù)展開了大量研究。溫差發(fā)電技術(shù)的研究興起于上世紀(jì)的50年代，同時(shí)能夠在航天器上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)電，為人類探索宇宙助力。不過一直以來，盡管該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，卻因?yàn)闉闊犭娹D(zhuǎn)換效率所阻礙（轉(zhuǎn)換效率通常低于12%）以及成本過高的原因，所以該技術(shù)基本只在汽車、航空、電力與軍事等工業(yè)領(lǐng)域使用，。

我國(guó)盡管對(duì)于半導(dǎo)體熱電制冷的理論與應(yīng)用研究有了不少成效，不過在溫差發(fā)電方面的研究起步較晚，發(fā)展較差。按照塞貝克效應(yīng)所制作的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，通過船舶中的余熱直接轉(zhuǎn)化為電能。船舶冷卻系統(tǒng)高溫冷卻器和低溫冷卻器之間的溫差與廢氣鍋爐中的廢氣與冷卻水之間的溫差讓發(fā)電片的兩極發(fā)電。因?yàn)閱蝹€(gè)發(fā)電片的發(fā)電功率不大，所以多個(gè)發(fā)電片聚集在一起后就能達(dá)到發(fā)電需求，產(chǎn)生的電能在穩(wěn)壓后，就能被直接采用，或是并入船舶電網(wǎng)。

2 溫差發(fā)電原理

塞貝克效應(yīng)

下圖是塞貝克效應(yīng)的示意圖，此裝置能夠通過溫差直接產(chǎn)生電能。在P型（N型）半導(dǎo)體里，因?yàn)闊峒ぐl(fā)的作用極強(qiáng)，高溫段的空穴（電子）濃度超出了低溫段，在濃度梯度差的作用下空穴因?yàn)闊釘U(kuò)散的效果，會(huì)由高溫段往低溫段擴(kuò)散，這樣半導(dǎo)體的兩側(cè)就產(chǎn)生了因?yàn)闇囟忍荻炔钏鶐淼碾妱?dòng)勢(shì)，即溫差電動(dòng)勢(shì)，如此，塞貝克效應(yīng)就出現(xiàn)了。半導(dǎo)體熱度安的載流子朝冷端擴(kuò)散是造成塞貝克效應(yīng)出現(xiàn)的重要因素。

半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)在于，其溫差優(yōu)值超出金屬導(dǎo)體許多，目前在研究中和各領(lǐng)域所采取的溫差電材料基本以半導(dǎo)體為主，所以溫差發(fā)電技術(shù)也叫作半導(dǎo)體溫差發(fā)電。

一對(duì)由P型與N型半導(dǎo)體材料構(gòu)成的電偶對(duì)就是最基礎(chǔ)的發(fā)電單元了，倘若將多個(gè)電偶對(duì)串聯(lián)，那么久構(gòu)成半導(dǎo)體熱點(diǎn)對(duì)，也就是溫差發(fā)電模塊。半導(dǎo)體熱點(diǎn)對(duì)分為單級(jí)與多級(jí)，單級(jí)熱電堆中只有一個(gè)固定溫度的冷端與熱端。下圖是單級(jí)熱電堆的結(jié)構(gòu)示意圖。

3 節(jié)能設(shè)計(jì)

從船舶柴油機(jī)的熱平衡角度出發(fā)，用在動(dòng)力輸出方面的功率通常占到燃油燃燒總熱量的一半還不到，剩余的熱能排出占到燃燒總能量的一半還多，基本上以循環(huán)冷卻水和尾氣帶走的熱量為主。船舶余熱利用就是對(duì)柴油機(jī)工作時(shí)沒有轉(zhuǎn)化為有效使用的熱能展開回收，從而加強(qiáng)能源利用效率，節(jié)能能源使用。下表為船舶柴油機(jī)的熱平衡表

3.1 船舶余熱利用方式

船舶煙氣余熱盡管通過廢氣鍋爐已經(jīng)完成了一次余熱的利用，不過通過廢氣鍋爐后的煙氣溫度還維持在三百攝氏度左右，這些熱量以傳統(tǒng)的技術(shù)手段無(wú)法利用，約有百分之三十五的熱量會(huì)直接排入大氣，不但浪費(fèi)了這部分的熱量，還會(huì)造成環(huán)境污染，影響船舶柴油機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)效果。為了能夠充分使用余熱，在溫差發(fā)電原理基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為有兩種途徑能夠?qū)崿F(xiàn)該目的。

第一種途徑是把溫差發(fā)電片組成的陣列設(shè)置在柴油機(jī)的排氣管和冷卻水管中，通過廢氣與冷卻水間的溫差實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。因?yàn)檫@樣的做法能夠直接利用廢氣里的熱量，因此發(fā)電效率極高。第二種途徑是把溫差發(fā)電片陣列直接放在船舶的淡水冷卻系統(tǒng)與海水冷卻系統(tǒng)間，通過淡水與冷卻海水間的溫差實(shí)現(xiàn)對(duì)余熱利用的目的，該法在效率上落后于第一種。

3.2 熱交換器

熱交換器在該節(jié)能設(shè)計(jì)中的目的是避免熱量的流失，維持高效的熱量傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)熱量的有效利用。因?yàn)闇夭畎l(fā)電片的發(fā)電功率是由溫差與熱流密度所決定的，所以選取這兩種常見的散熱器，把溫差發(fā)電片放在換熱器管道里，分別把冷熱兩種流體導(dǎo)進(jìn)換熱器里，達(dá)到高效發(fā)電的目的。筆者在設(shè)計(jì)里把換熱器中的管子（下圖左）置換成雙層管式結(jié)構(gòu)（下圖右），置換的目的在于，雙層管式的結(jié)構(gòu)中，內(nèi)外管子中都安放了溫差發(fā)電片，并用導(dǎo)熱硅膠填滿剩余空間，這種換熱器的管子能夠確保發(fā)電片的熱流密度，從而最大化的利用熱量。

4 性能對(duì)比和分析

4.1 經(jīng)濟(jì)型分析計(jì)算

按照熱點(diǎn)與案例的工作數(shù)據(jù)來探究通過溫差發(fā)電片實(shí)現(xiàn)傳播余熱利用是否可行，接著筆者將使用具體數(shù)據(jù)來計(jì)算發(fā)電量的大小。以使用TEHP1-12656-0.3型號(hào)的發(fā)電片為例，每片安裝尺寸長(zhǎng)款都為五十毫米，每平米能夠安裝該發(fā)電片240塊，嘉定海水溫度為三十?dāng)z氏度，廢氣溫度為三百攝氏度，每平米的發(fā)電功率為五千瓦，傳播每年工作時(shí)間為六千小時(shí)，每年發(fā)電量為31500KWh。

目前某型船發(fā)電機(jī)油耗為150g/KWh，每年能夠減少六噸因發(fā)電而使用的燃油，根據(jù)目前每噸7000元的油價(jià)計(jì)算，每年能夠減少42000元的燃油成本支出。該設(shè)計(jì)中的傳播余熱使用設(shè)備每平方米成本為30000元，在計(jì)算后得知，該設(shè)備投入使用后通過對(duì)余熱的利用使得成本減少，兩年后就能收回投資成本，兩年后開始盈利。

4.2 和現(xiàn)有船舶余熱利用技術(shù)的比較

該設(shè)計(jì)和目前船舶上常用的廢氣鍋爐、余熱汽輪機(jī)相比較，我們就能發(fā)現(xiàn)采用溫差發(fā)電裝置盡管對(duì)船舶柴油機(jī)余熱回收時(shí)的效率不如另外兩種裝置，但是其質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及低成本、少維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，使其具有高性價(jià)比的特質(zhì)。所以，該設(shè)計(jì)用在船舶余熱利用方面有著更突出的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置是在塞貝克效應(yīng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，利用船舶柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作后所排出的余熱進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了溫差發(fā)電片的布置形式，達(dá)到對(duì)廢熱的有效利用的目的，加強(qiáng)了船舶柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)型。筆者相信，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展與熱電轉(zhuǎn)換效率的加強(qiáng)，筆者的設(shè)計(jì)將會(huì)有更加廣泛的使用。

參考文獻(xiàn)：

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