应用于电站锅炉再热器的新型温差发电装置的研究设计

尤 运

上海市节能减排中心有限公司

0 引言

电力是一个国家国民经济能否健康、稳定发展的重要能源保障，目前全球发电形式主要为火力发电、水力发电和核能发电，其中中国、美国、俄罗斯、英国等以火力发电为主，其发电量所占比重均为60%以上，我国火力发电装机规模更是跃居世界第一，可见火力发电还是目前乃至将来相当长一段时间内的主要发电方式[1]。火力发电主要依靠煤炭，但传统的化石燃料在发电过程中通常效率很低，一般为火电厂发电效率为40%左右。这是由于在火电厂朗肯循环（如图1所示）中大量的能量损失存在于锅炉部分，是高温烟气温度和高压蒸汽温度之间的温度差造成的。

现代燃煤电站锅炉炉内燃烧温度高达1 500℃左右，而高温高压受热面温度一般在500℃以下，在炉内的不同区域烟温与受热面内工质的温差高达几百摄氏度以上，再热器区域也是如此[2,3]。根据热力学第二定律，传热温差越大引起的不可逆损失越大，㶲损越大，机组的经济性会变差[4]。若传热温差能被利用，将有效地减少传热过程中的能量损失，提高基于朗肯循环的火电厂发电效率。因此，加强节能、提高能源利用率已成为我国乃至全球火力发电领域的一个重要课题。

图1 基于朗肯循环原理发电的结构示意图

在节能减排的新时代背景下，随着科学技术的快速发展，半导体温差发电技术为提高能源利用效率的方案提供了思路。半导体温差发电技术具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声、无污染、使用寿命长、易于控制等优点，是一种绿色环保的发电技术[5]，其在钢铁余热发电、汽车尾气回收利用、边远地区供电、太阳能温差发电、空间探索等多个领域被广泛应用[6-8]。

由于电站锅炉整体结构特殊，炉膛内部有热源产生高温，同时再热器作为受热面相对为低温状态，因此在锅炉再热器处直接进行热电转换的温差条件即可满足。目前国内外关于温差发电技术应用于电站锅炉的研究较少，据报道美国普渡大学和日本东京大学的学者进行了相关的理论研究，但尚未可以适用于生产现场的装置。本文结合此项技术研究设计了一种应用于锅炉再热器的新型温差发电装置。

1 设计原理

半导体温差发电[9]是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料（P型是富空穴材料，N型是富电子材料）一端相连形成一个PN结，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在此浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而在回路中形成电动势：

式中：T1为高温端温度，K；T2为低温端温度，K；S为所用热电材料的赛贝克系数。

热电材料通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程，如图2所示单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，可以得到足够高的电压，成为一个温差发电片，如图3所示。

图2 温差发电原理示意图

图3 温差发电片的结构示意图

热电材料作为温差发电片的核心部分，其性能的好坏直接决定器件效能的优劣。在实际应用过程中，无量纲的优值ZT[10]是衡量热电材料性能最重要的参数：

式中，σ为电导率，Ω-1·m-1；k为热导率，W/(m·K)；T为温度，K。

ZT值越高，材料的热电性能越好，能量转换效率越高。Bi2Te3室温下ZT值约为1，是目前使用最广泛的热电材料，但是用其制成的温差发电片发电效率依然低于10%。如果能把材料的ZT值提高到3左右，温差发电将可以与传统的发电方式相媲美[9]。随着科技的进步以及材料合成技术的发展，高优值的新型热电材料被不断地积极寻找和开发，目前的研究热点有：硫族层状化合物热电材料、钴基氧化物热电材料、纳米超晶格热电材料、金属氧化物热电材料等近年来主要热电材料的发展趋势图[11]见图4。

2 设计模型

为了更好地展示创意，本文研究设计了一种应用于锅炉再热器的新型温差发电装置的结构模型。温差发电装置的结构主视图，如图5所示。该装置设置在锅炉炉膛内，固定在再热器上，主要构成为若干个温差发电模块1和其它组件。若干个温差发电模块1通过导线并联，最后分别与锅炉外的储能装置和输电装置连接；温差发电模块1的热端与锅炉竖直烟道的高温烟气接触，冷端与锅炉再热器2连接。温差发电装置中温差发电模块的结构左视图和俯视图，分别如图6和图7所示，温差发电模块1包括依次连接的散热板5、温差发电片6、吸热板7（其中温差发电片6的热端连接吸热板，冷端连接散热板），散热板5与锅炉再热器2内的再热器管4连接，吸热板7连接的肋片或热管8伸入到竖直烟道内。

图5 温差发电装置的结构主视图

图6 温差发电模块的结构左视图

图7 温差发电模块(对)结构俯视图

3 实施方式

当电站锅炉正常运行时，竖直烟道内高温烟气经过温差发电装置，烟气能量通过肋片或热管8和吸热板7吸收聚集到温差发电片6热端，经温差发电片6传递给另一侧的冷端，在经散热板5传递给锅炉再热器管4内蒸汽和水的混合物。当整个过程达到相对平衡状态时，温差发电片6的热端和冷端温度趋于稳定，形成温度差，基于热电材料的塞贝克效应产生电能，并通过导线输送给锅炉外的储能装置和输电装置。

单个温差发电模块直接产生的电能是低压直流，将若干温差发电模块用导线并联起来，既可以解决由于单个温差发电模块损坏对整个装置的影响，又可以提供高压直流；如果进行储能，经稳压保护器调整后储存；如果进行输电，依次经逆变器、稳压保护器调整后供电。

4 设计的优点

与现有的技术相比，该新型温差发电装置的优点：

（1）提高发电效率：散热损失过大是半导体温差发电效率低下的主要原因，也是阻碍该技术推广的最大障碍。但对于锅炉而言，由于其有可靠的保温绝热性能,如果在锅炉再热器上复合温差发电模块，温差发电模块的热量除了直接转化为电能外，剩余热量传递给再热器管内的工质，整个过程几乎没有能量浪费。采用在锅炉再热器上安装温差发电装置，利用高温烟气温度和高压蒸汽的温度之间较高的温度差，通过热电转换产生额外的电能，有效降低了朗肯循环中大量的能量损失，预计能使火电厂总的发电效率提高约0.5%。

（2）提高吸热率：通过在热电模块的热端加设吸热板，在冷端加设散热板，吸热板上设多组肋片或热管，增加了与高温烟气的接触面积，能有效提高吸热率，使由于温差发电装置的加入，在增大传热热阻的情况下，最小限度地影响锅炉自身的朗肯循环，从而优化节能。

（3）提高热量传递效率：本文通过在热电模块的热端加设吸热板，在冷端加设散热板，使热端快速吸热，冷端快速散热，提高热量传递效率，从而增大冷、热端的温度差，使温差发电模块产生更大的发电功率。

5 发展前景及结论

半导体温差发电技术虽然已经日趋成熟，本文研究设计的新型温差发电装置进行商业化应用还受限于当前的技术水平，如何在火电厂中得以高效运行还需进一步的探索。根据调研和研究分析，目前的主要问题集中在热电材料（包括热电转换效率、耐温性、耐磨性、耐腐蚀性、材料种类、价格等）、冷热源的匹配、温差发电模块的传热性能优化、温差发电系统对电厂发电效率的综合影响等方面，国内外尚缺乏深入研究。

鉴于半导体温差发电技术在提高火电厂发电效率方面具有较大的潜力，有必要汇集产、学、研、用等多方面力量对其进行深入探索，一旦该技术证明切实可行，则可以在不提高机组运行参数，不增加污染物与二氧化碳排放的前提下显著增加机组效益，为进一步提升发电机组效率提供新的解决方案，创造更大的经济效益。