基于船舶柴油机废气余热驱动热电发电性能研究

汪闻天

摘要：本文以船舶柴油机废气余热为研究视角，探索其热电发电情况。在研究中发现：当柴油机废气余热温度为350摄氏度时，可使用热电发电工艺，单位区域内获取的电量最大值为0.65kW。

Abstract： In this paper， the waste heat of marine diesel engine exhaust gas as a research perspective， to explore its thermoelectric power generation. It is found that the thermal power generation process can be used when the exhaust heat temperature of diesel engine is 350 degrees Celsius， and the maximum amount of electricity per unit area is 0.65kW.

关键词：船舶;余热发电;柴油机

Key words： ship;waste heat power generation;diesel engine

中图分类号：U661.42                                   文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0215-02

0  引言

现阶段，较大规格的船舶，其行驶动力的形成模式，以柴油机余热发电为主。在柴油机实际运行期间，可能存在燃烧不充分、废热损失等问题，将此类废气余热加以利用，将其转化为部分燃料发热量，以此减少废气排放量，提升资源利用率。因此，在众多单位中，针对柴油机余热资源，开展了各项研究，以期提升余热资源的转化效果，维护生态环境平衡性。

1  船舶柴油机废气余热发电的应用现状

1.1 余热回收形式

针对船舶柴油机废气余热回收程序，表现形式有多种，具体包括动力、热量两种回收形式。动力回收机制中，主要完成了废气余热的利用，使其转化为锅炉蒸汽，以此提升汽轮机发电能力。热回收环节，主要是借助废气余热完成水的加热程序，或者对热燃油脂创设加热环境。此两种热量回收方式，在对比使用期间发现：动力回收形式需要使用数量较多的器具，对大型附属装置的应用提出了高要求，相应增加了生产成本，装置尺寸超出常规，难以有序完成空间布置。热回收程序，能够顺应季节便利，如若夏天炎热环境中使用热回收程序，将会降低热量回收效率[1]。

1.2 热量转换机制

半导体在发电期间，其发电程序能够完成能源转换，热电模块中，在冷热区域存在一定温度差值，如若在外部完成负载电阻的连接，将会形成闭合电路现象，电流生成于闭合回路中。因此，半导体热电发电装置，能够完成各级品位热能的回收，具有广泛适用性。在热电装置获得深入研究的过程中，热资源利用呈现出多样化特点，加强废热资源、余热资源的有效回收，提升能源利用效率，逐渐成为研究的主流方向。在热电材料研发期期间，同时降低了热电材料使用成本，以此提升热电发电技术的应用效能，使柴油机废气余热发电应用逐渐成熟。

1.3 有限时间热力学的使用情况

有限时间热力学应用理论中，有序整合了各类学术内容，比如热力学、传热学等，为热力学发展奠定了基础条件，在有限条件约束下，时间、尺寸两个参数给予了一定约束，以期分析各类因素变化对装置产生的影响，旨在控制系统反应的不可逆程序，试图提升热力学生的研究价值，以装置性能应用极限为最终研究方向。在上世纪90年代初期，多位学者使用有限时间热力学思想，针对热电装置开展了研究，分别从单级、两级、多级三个视角，获得热电装置的应用方法，以期获得更为适用的结论。

1.4 余热发电程序的改进过程

船舶柴油机废气利用的现存问题为：余热资源生成量较大、能源回收效率低。众多学者针对热电发电工艺开展了各项研究，在使用水冷散热余热发电形式时，需要添加水泵、冷却水等装置，此类装置具有较为复杂的结构，同时引入成本较高。以低成本、简易装置为思想，组建了新型余热发电装置。

2  新型余热发电装置的具体应用

2.1 装置结构

新型余热发电装置，是以空冷式柴油机为运行环境，采取两级余热驱动发电形式，同时添加了流体换热通道。装置内部共计三个程序：

①第一层截面表现为正方形，作为柴油机废气传输通道。

②第二层是两级热电发电程序。

③第三层是空气侧换热器。

装置内部在烟气、外部空气等位置，完成了自然风冷式换热器的应用，在通道内外表层添加了若干数量的翅片。以传热学理论可知：如若在翅片表面添加风扇，能够有效提升冷端散热的有效性。然而，此种装置方法，将会提升额外功耗的产生，提升设备运行的生产成本。

2.2 装置运行分析

使用数值计算形式，获取热阻、温度两个参数的分布情况，同时获取热源参数、热电模块的最优设计方案。柴油机废气输入位置，初始温度假设为350摄氏度，环境温度假设为20摄氏度，考量低温热电材料性能失效时的温度条件为200摄氏度。因此，设定热电模块物性温度为200摄氏度，由此获取热电模块的各项参数，比如Seebeck系数、电导率等。

2.3 热阻与温度的分布情况

装置以烟气热源为出发点，完成装置向环境的传染过程，其热阻分布情况如下：气体对流换热时，产生的换热系数较小，在一般对流条件下，强制对流取值范围为[20，100]m2·k，柴油机内部，废气与空气发生对流换热，此时产生的热阻相对于接触热阻较大，同时大于换热器基板位置产生的热阻参数。因此，在改善装置性能期间，应提升热阻控制效果，以此保障换热有效性。

新型废气余热装置，驱动两级发电程序，能够完成各级温度热源的转化。在各模块端面温度发生变化时，温度变化规律与流道长度存在一定关聯性。在水冷式烟气余热转化程序中，能够发现：在流道各位置的各点位温度，相比余热装置中的对应点位温度，平均高出50摄氏度。温度产生的差异性，说明了空气冷却形式、水温度控制过程，为装置总热阻提供了一定热量，在冷端散热形式的差异性，在一定程度上降低了低温区域的热量疏散能力，甚至会直接削弱高温区域的换热有效性[2]。

2.4 热能参数之间相互关系

①烟气温度越高、电流增加的情况下，功率密度表现出一定变化：当烟气温度t为250摄氏度时，电流a为0、0.32A时，功率密度p为最小值，均为0，a=0.15A时，p为最大值，0.15kW/m2;当烟气温度t=300摄氏度时，电流a为0、0.4A时，功率密度p为最小值，p=0，a=0.2A时，p为最大值，0.20kW/m2;当烟气温度t为350摄氏度时，电流a为0、0.45A时，功率密度p为最小值，均为0，a=0.23A时，p为最大值，0.29kW/m2;当烟气温度t为400摄氏度时，电流a为0、0.52A时，功率密度p为最小值，均为0，a=0.28A时，p为最大值，0.38kW/m2。

②在余热发电装置中，功率密度、转化效率、烟气温度三个参数之间的关系：当功率密度为0.18kW/m2时，对应的转化效率为0.8%，温度为250摄氏度;当功率密度为0.30kW/m2时，对应的转化效率为1.0%，温度为350摄氏度。由此发现，功率密度在增加时，转化效率、烟气温度均有所增加，三个参数存在正相关关系。

③电流最优值与烟气温度两者之间的关系：当电流为0.16A时，烟气温度为250摄氏度;当电流为0.21A时，烟气温度为330摄氏度;当电流值为0.24A时，烟气温度为380摄氏度。由此确定烟气温度与电流最优值之间存在正相关关系[3]。

2.5 热电发电模块与装置参数的相互关系

2.5.1 热电单元长度参数影响分析

热电单元长度参数，与装置功率密度、电流大小之间的关系：当单元长度为0.2毫米时，电流取值范围[0.08，0.4]A，在电流取值0.23A时，功率密度为最大值0.03kW/m2;当单元长度为0.6毫米时，电流取值范围[0，0.5]A，在电流取值0.23A时，功率密度为最大值0.14kW/m2。

2.5.2 热电模块参数影响分析

分别从功率密度、转化效率、电流大小三个参数分析填充系数（热电模块）对其产生的影响。具体影响表现如下：

①假设填充系数为B，当B=0.5时，转化效率对应值为1.13%，功率密度为0.31kW/m2;当B=0.1时，转化效率对应值为3.23%，功率密度为0.6kW/m2;当B=0.9时，转化效率对应值为0.056%，功率密度为0.15kW/m2。由此发现，热电模块与转化效率、功率密度存在正相关关系。由此说明：热电模块选择的合适性，将会改善装置运行能力。

②热电模块与电流最优值之间的关系：当B=0.1时，电流最优值=0.8A;当B=0.4时，电流最优值=0.25A;当B=0.8时，电流最优值=0.13A。由此说明：热电模块与电流最优值存在反向相关关系;增加热电模块系数，能够有效降低电流最优值。

2.5.3 电流最优值与热电单元长度参数之间的关系

当单元参数为1毫米时，电流最优值为0.8A;当单元参数为3毫米时，电流最优值为0.55A;当单元参数为5毫米时，电流最优值为0.21A。由此说明：热电单元与电流最优值存在反向相关关系。经计算，烟气高度每上升1米，将会降低自身温度30摄氏度。

2.6 参数综合分析

①经各参数之间关系分析发现：在烟气温度为350摄氏度时，能够获取功率密度最大值为0.29kW/m2，此时电能转化能力为1.0，将会获取电量值为0.65kW。由此确定：新型余热发电装置具有运行可行性，可以柴油机为运行环境，完成发电装置组装设计。

②在负载条件获得优化时，功率密度的最大值为0.6kW/m2，转化效率对应值为3.23%，同时电流最优值在热电模块作用下，存在反向相关关系。由此确定：在实际运行新型柴油机废气余热发电工艺时，应选择适宜的热电模块，以此提升装置的发电效果。

3  结论

综上所述，在新型柴油机废气余热利用程序中，采取的是两级热电驱动方法，在此装置中，功率密度、转化效率、电流最优值等参数在烟气温度增加时，有所增加。因此，在后续开展废气余热利用时，应加强烟气温度控制，以期获取热电发电的最优效果，提升废气资源利用效率。

参考文献：

[1]普聪远.船舶柴油机废气余热发电效率优化系统[J].舰船科学技术，2020，42（02）：82-84.

[2]牛牛，杨祥国，吴书礼.基于鳍片式热电模组的船舶柴油机废气余热利用及其影响因素[J].船舶工程，2019，41（06）：106-110.

[3]陈志龙.船舶柴油机余热的分析及利用[J].科技视界，2019（11）：249，297.

[4]王慧斌，汪正洋，吕延枫，等.船舶主机废气余热温差发电的数值模拟与试验研究[J].船舶工程，2018，40（2）：8-11.

[5]汪正洋.船舶余热温差发电的数值模拟与实验装置设计[D].辽宁：大连海事大学，2016.