船舶主机余热温差发电技术的研究

孙忠鹏，关 涛，李 枫

应用研究

船舶主机余热温差发电技术的研究

孙忠鹏，关 涛，李 枫

（中国人民解放军92942部队，北京 100161）

为有效利用主机余热，提升燃料利用率，本文利用热电材料自身的塞贝克效应，直接进行热能-电能的转换。对比了温差发电技术国内外研究现状，分析了在船舶应用上的关键技术及制约因素，并提出一种典型的船舶主机余热温差发电技术方案，可有效提升一次能源发电效率，降低船舶对燃料资源的依赖度。

主机余热 温差发电热电材料 效率

0 引言

船舶柴油机、燃气轮机等主机很大一部分能量以烟气形式通过排烟管道释放出去，造成资源浪费。如何有效利用这部分余热能量，进一步提升一次能源的利用效率，已成为船舶动力电力系统发展所面临的重要问题。传统的余热利用技术有动力涡轮、朗肯循环、吸收式和吸附式制冷回收等，能够对部分余热进行有效利用。然而其相关设备系统结构复杂，如朗肯循环汽轮机含有膨胀机、蒸发器、冷凝器、回热器等设备，较为复杂且笨重；额外的能量转化步骤，如动力涡轮技术存在热能-机械能-电能的多步转换，会带来额外排放；存在冷凝器、蒸发器等大型设备，从而导致其运维成本高且容错率低等问题，这些都阻碍了其在船舶主机余热利用领域的发展。基于热电材料的温差发电技术，利用热电材料自身的塞贝克效应[1]，通过主机高温烟气管道与外壁冷却介质之间形成的温差可直接将热能转换为电能，具有有噪声小、维护成本低、结构简单、安全可靠、直接进行热能-电能的转换等诸多优点[2]，同时可有效减少排烟管路向舱室的散热量，符合未来船舶主机低排放、绿色环保的发展趋势。

1 温差发电技术国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外基于热电材料的温差发电技术应用广泛，尤其在汽车行业，内诺卡车及沃尔沃公司在排量2.0升的柴油发电机上安装的温差发电装置可输出130瓦功率；大众汽车公司开发的温差发电器可产生600瓦电能；美国的Kumar等人采用矩形排气通道的汽车尾气温差发电装置，获得发电系统效率约为3.3%；2018年韩国Kim等人采用六边形的汽车尾气余热温差发电装置，最大输出功率为98.8瓦，输出效率为2.6%。船舶领域，相关技术研究多以仿真模拟为主。日本东京大学建立了回收利用船舶余热的温差发电装置，分析了温差发电技术在船舶运行的可行性，可产生600瓦的电能；法国原子能与可替代能源委员会设计并建造了一个测试台，用来模拟温差发电装置在船舶主机工作点上的性能，但是能量转化效率最高仅有0.4%；美国海军已立项并委托叶轮机械公司与缅因海运学院合作，将余废热利用技术应用于船舶的涡轮机推进系统中。

1.2 国内研究现状

国内最早上世纪九十年代末开始，运用热电发电技术回收排气管余热，以国产解放141汽车为实验目标，针对排气余热分析热电发电可行性，最终输出功率为300瓦，但是存在热电转换效率低的问题。目前国内主要有711所、武汉理工大学、大连海事大学和集美大学、西安交通大学等在船舶排气余热发电方面具有深入的研究并取得一定的进展。711所设计了一款船用柴油机排气余热温差发电装置，试验结果表明热电效率在1.31～2.16%之间。武汉理工大学建立了船舶余热温差发电的有限元模型，对于主机功率3300千瓦的船舶，计算出船舶发电柴油机烟气余热发电总发电量可达2.3千瓦。大连海事大学对以船用WD615柴油机烟气余热为热源的温差发电进行了研究，所设计的温差发电装置采用902片温差发电片，通过计算得出发电装置的效率为1.14％，可输出的最大功率为603.4瓦。集美大学以船用中速柴油机为研究对象，建立了烟气管的三维模型和热电模块仿真模型，对烟气余热温差发电性能进行了仿真模拟，最大输出功率可达705.6瓦，系统效率不足1％。西安交通大学围绕高性能温差发电器件及余热发电系统进行大量研究，针对船舶主机余热系统进行模拟计算，其最高系统效率理论上可达到6%，并已研制出500瓦的余热发电系统试验装置。

目前的船舶领域基于热电材料的温差发电装置发电功率仅在百瓦级，绝大部分余热利用装置的系统效率很低，与工程应用有着较大距离。从发展趋势来看，民用领域对余热发电这种新型能量利用方式有着较为强烈的需求，国内外大量科研机构和公司都在积极研究和开发高性能的余热发电装置。

2 温差发电基本原理和船舶应用方案分析

2.1 基本原理

温差发电的原理如图1所示，把p型半导体和n型半导体顶部相连形成接头，接头一端有一热源进行加热。此时空穴和电子这两种类型的载流子均从热端漂移到冷端，在两基体电极处形成温差电动势，加入负载便可形成闭合回路[3]。

图1 温差发电原理图

2.2 船舶应用方案分析

典型的余热发电系统如图2所示，该发电系统主要由集热装置、温差发电模块、冷却装置、电能控制与管理模块等部分组成。该系统可对船舶柴油发电机或燃气轮机高温烟气排放过程中携带的热量进行回收并用于发电。

图2 船舶主机余热发电系统总体方案图

通过在船舶上主机排烟管道外壁安装由高导热金属构成的集热装置，并在集热装置外表面敷设大量温差发电器件，该集热装置可将烟气所携带的热量直接传递至温差发电器件。同时，温差发电器件的另一面（冷端）则与水冷散热板进行紧固接触，根据散热板内部连通结构设计可利用船上淡/海水进行高效冷却，通过控制外部专用水泵或船用冷却系统旁路水闸实现冷水流速控制，可维持在较低温度。此时在温差发电器件高温（集热装置）与低温端（散热板）形成温差，根据热电材料的塞贝克效应在闭合的电路中会产生电压和电流。

2.3 余热回收装置技术方案

集热装置以及温差发电模块构成了余热回收装置，是温差发电系统的重要组成部分，相当于电力系统的发电机组，如图3所示。

图3 筒式结构的余热回收装置示意图

采用圆筒结构的直贴余热发电装置，在排气管外部加装一个正六棱柱余热收集装置，侧平面用于布置温差发电器件，发电器件上方加装水冷板作为冷端，采用分段结构温差发电片，在低温端选用Bi2Te3材料，高温端采用Half-Heusler材料[4]，温差发电片的大小为40 mm×40 mm，余热收集装置主体材料选用导热性能较好的金属铜，为尽可能减小温差发电模块和管道之间的传热距离，降低余热收集装置径向的温度[5]。

假设排烟管排气烟管外径约为220 mm，内径约为200 mm，为估算余热回收装置的表面温度，采用Ansys软件来进行建模仿真，设定烟气温度保持在500 ℃，烟气在管道中流速为30 m/s，通过Ansys进行仿真，可得余热回收装置的温度分布如图4所示，侧表面平均温度约为350℃，相较于烟气温度有150℃的温度降。冷端采用30℃时，单个温差发电片的输出电压和输出功率分别为4.2 V和12 W。假设所需输出功率为1 kW，此时至少需要分段结构温差发电片约90片，装置长度约为800 mm。

图4 余热回收装置温度分布图

考虑到单个温差发电片输出电压有限，可通过大量器件串并联的方式来提升输出电压及电流。对于温差发电系统而言，高温烟气携带的部分热量Q通过集热装置进入温差发电器件中，大量温差发电器件将温差能转换为电能，输出电功率为P，则该系统的热发电效率为=P/Q。

3 船舶应用关键技术分析

温差发电应用于船舶上的主要关键技术有高性能温差发电器件设计与制备、高效热能传递与利用、电能控制与能量存储等三项关键技术。

1）高性能温差发电器件设计与制备

温差发电器件设计与制备技术直接决定了系统的最佳理想转换效率，为了实现高性能器件封装制备，需要对热电材料、器件结构、界面工艺、部件加工处理等进行深入研究。可以采用理论计算手段对高性能热电材料进行参数评估与材料性能优化，结合球磨-烧结、化学法等不同材料合成工艺对热电材料进行试制[3]，并利用材料性质测量设备对样品材料进行表征分析，确定适用于船舶余热系统的高性能中高温热电材料。最终利用器件建模方法对器件结构及部件进行优化设计，加工制备相应温差发电器件并用于余热发电系统。为了最大化提升器件的输出性能，可采用多级温差发电器件结构实现热能的高效利用。

2）高效热能传递与利用

由于船舶主机的排气温度高，目前可商购的温差发电模块大多无法耐受高温，或者由于材料问题其热电转化效率低，无法充分利用余热；同时由于温差发电装置中的集热器、散热器设计仍不合理，调理电路损耗较高等问题，目前大多数余热发电装置存在输出功率较低、电压波动较大、热电转换效率较低以及可靠性较差等问题。

3）电能控制与能量存储

温差发电器件输出的电能须通过电能控制与管理模块最终汇入低压母排或者蓄电池组。由于温差发电器件输出电压较低，且随船舶主机运行状态发生波动，如直接为负荷供电，则所用电缆承载电流较大，将对周围沿线设备造成电磁干扰及潜在威胁。因此需要对该输出电压进行升压及稳压处理，同时多余的电能可通过储能部件进行存储。稳压后产生的直流电再次逆变为220 V交流电为低压负荷供电。

4 结束语

基于热电材料的温差发电技术作为将余废热资源转换为电能从而增加燃料效率的一种可行方案，可有效提升一次能源发电效率，降低船舶对燃料资源的依赖度，同时作为节能减排的有效手段备受世界各国关注，目前各国均在积极开展余热利用与发电技术研究。为进一步推动该技术在船舶上的应用，提高转换效率、降低成本、优化系统结构是下一步重点研究方向。

[1] 郑艺华, 马永志. 温差发电技术及其在节能领域的应用[J]. 节能技术, 2006, 24(02): 142-146.

[2] 褚泽. 废热半导体温差发电技术的研究与开发[D].重庆: 重庆大学, 2008.

[3] 王统才. 中低温余热回收利用温差发电系统研究. 华东理工大学, 2017.

[4] 王怡心, 马勤, 贾建刚, 高昌琦, 张瑄瑄. Half-Heusler热电材料性能优化策略及研究进展[J]. 材料导报, 2019, 33(z1): 403-407.

[5] He Hailong, Wu Yi, Liu Weiwei, Rong Mingzhe, Fang Zhenxuan, Tang Xiaojun. Comprehensive modeling for geometric optimization of a thermoelectric generator module[J]. Energy Conversion and Management, 2019, 645-659.

Research on waste heat thermoelectric power generation technology of marine main engine

Sun Zhongpeng, Guan Tao, Li Feng

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China)

U665.1

A

1003-4862（2022）05-0029-03

2021-09-24

孙忠鹏(1988-)，男，工程师。研究方向：舰船电力系统。E-mail: fengernotbad@qq.com