船舶温差发电装置性能分析

凌君谊

（上海海事职业技术学院，上海 200120）

在环境污染不断加剧的严峻形势下，节能环保需求日趋突出，如何在绿色环保的前提下更加高效地利用能源是当前关注的热点[1]。海运业承载了全球90%以上的商品贸易货运量，船舶作为其主要载体，存在能耗较大、余热浪费严重的弊端。据统计，能耗占船舶运营总成本的比例如下：小型运输船为25%～30%，定期客货船约为35%，散货船约为50%，油船约为60%[2]。

温差发电温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术，是一种绿色能源技术，具有可将热能直接转化为电能等诸多优点，在废热回收利用领域的前景十分广阔[3-5]。

从现有的相关文献来看，学者的研究主要集中在如何提升温差发电片的发电效率。温差发电片的性能研究参差不齐，所得出的实验结果差异较大。基于目前温差发电装置在船舶余热回收方面的应用现状和不足，本文研究了热端温度、安装压力、冷却方式、导热硅脂和扰流方式对温差发电的影响规律。

1 温差发电实验准备

1.1 实验装置

温差发电模块发电效率测试平台主要包括温差发电模块、热源装置、冷源装置、安装压力调节装置、输出电流测量装置、输出电压测量装置、输出功率测量装置、外接负载调节装置及温度测量装置等。

温差发电模块如图1 所示，详细参数如表1 所示。

图1 温差发电片

表1 温差发电片详细参数

工作条件：冷端温度30 ℃，热端温度200 ℃。

图2 为热源装置外形图，详细参数如表2 所示。冷源装置分为铝合金水冷板和恒温冷却水浴机，如图3所示，具体参数如表3 所示。

表3 冷源装置详细参数

图3 冷源装置

表2 热源装置详细参数

图2 热源装置

安装压力调节装置主要由气动冲床和空气压缩机组成，如图4 所示，通过调节气动冲床对温差发电模块所施加的安装压力，从而研究不同安装压力下的发电性能。

图4 压力装置图

功率测试仪装置如图5 所示，其采用纳普高精度功率计测试仪来测量温差发电模块的发电性能，详细参数如表4 所示。

表4 功率测试仪装置详细参数

图5 功率测试仪装置图

热电偶数据采集模块如图6 所示，其采用美国欧米茄八通道USB 热电偶数据采集模块，详细参数如表5 所示。

表5 热电偶数据采集模块详细参数

图6 热电偶数据采集模块

1.2 实验条件

利用本实验装置主要测量温差发电模块在不同外界条件下的发电性能，环境温度为10 ℃，外界影响条件主要包括热源温度、冷却方式、安装压力、界面传热等。实验条件汇总如表6 所示。

表6 温差发电模块性能测试实验条件

1.3 实验过程

在实验中采取3 种不同安装压力，并保持压力不变，且在不同组的实验中安装压力逐次递增。设置冷源装置，本文采用风冷和水冷2 种冷却方式。当采用水冷时为保持温差发电片冷端温度恒定，在实验阶段设定水浴的温度为20 ℃。如果采用风冷方式，此时主要靠散热翅片的对流换热对温差发电模块进行冷却。设定温差发电装置的热源温度，实验中设定了100 ℃、140 ℃和180 ℃这3 种温度。记录实验数据，当装置达到稳态时进行实验参数记录，所记录的实验参数主要包括热端温度、冷端温度、开路电压、负载电压、负载功率等。为降低实验测量误差，记录上述参数10 次，每次记录间隔1 min，最后取10 次平均值进行计算分析。

2 温差发电实验结果与分析

由温差发电机理可知，温差是影响发电模块发电性能的最主要因素。本文分别研究了热端温度为100 ℃、140 ℃和180 ℃，安装压力分别选取0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 条件下温差发电模块的发电性能。其他实验条件为水冷、无硅脂。在此实验条件下开路电压和输出功率与热源温度之间的关系如图7 所示。安装压力对开路电压和输出功率的影响如图8 所示。恒定条件为水冷、无导热硅。

图7 热源温度对开路电压和输出功率的影响

图8 安装压力对开路电压和输出功率的影响

由图7 可知，开路电压随热源温度升高而升高且基本呈线性增长。当安装压力为0.3 MPa、热源温度为100 ℃、140 ℃和180 ℃时，发电模块开路电压分别为23.62 Ⅴ、31.14 Ⅴ和38.35 Ⅴ，热源温度为140 ℃、180 ℃时与100 ℃相比开路电压的增长率分别为31.8%和62.4%。

与开路电压趋势相同，最大输出功率随热源温度的升高而升高。当安装压力为0.3 MPa、热源温度为100 ℃、140 ℃和180 ℃时，发电模块最大输出功率分别为4.85 W、8.09 W 和10.95 W，热源温度为140 ℃、180 ℃时与100 ℃相比最大输出功率增长率分别为66.8%和125.8%。由于安装压力可以在一定程度上增强界面传热，而且强化界面传热可以减少温差发电模块冷、热端与冷热源之间的传热温差，从而提高温差发电模块冷、热端温差继而提高温差发电性能。

由图8 可知，当热源温度为180 ℃、安装压力为0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 时，温差发电模块对应的开路电压分别为36.29 Ⅴ、37.23 Ⅴ和38.35 Ⅴ，安装压力为0.2 MPa、0.3 MPa 时，与0.1 MPa 相比安装压力增长率分别为2.59%和5.68%。

与开路电压趋势相同，温差发电装置最大输出功率随安装压力的升高而升高。当热源温度设为180 ℃、安装压力为0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 MPa 时，该装置最大输出功率分别为9.71 W、10.30 W 和10.95 W，安装压力为0.2 MPa、0.3 MPa 时，与0.1 MPa 相比最大输出功率增长率分别为6.08%和12.77%。随着安装压力增大，温差发电模块与冷、热源之间的界面传热效果会增强，从而扩大模块冷热端温差，进而使开路电压输出值增大。在无硅脂、安装压力为0.3 MPa 的实验条件下，采用风冷和水冷2 种冷却方式，开路电压和输出功率随热源温度的变化规律如图9、图10 所示，恒定条件为安装压力为0.3 MPa，无导热硅脂。不同的热源温度下采用水冷的开路电压较风冷方式有显著提升。

图10 水冷对输出功率的影响

由图9 可知，当热源温度为100 ℃时，水冷与风冷相比较开路电压由15.82 Ⅴ提升至23.62 Ⅴ，提升了49.3%。当热源温度为140 ℃时，水冷与风冷相比较开路电压由20.63 Ⅴ提升至31.14 Ⅴ，提升了50.9%。当热源温度为180 ℃时，水冷与风冷相比较开路电压由24.96 Ⅴ提升至38.35 Ⅴ，提升了53.6%。

图9 水冷对开路电压的影响

由图10 可知，当热源温度为100 ℃时，水冷与风冷相比较输出功率由2.19 W 提升至4.85 W，提升了121.5%。当热源温度为140 ℃时，水冷与风冷相比较输出功率由3.54 W 提升至8.09 W，提升了128.5%。当热源温度为180℃时，水冷与风冷相比较输出功率由4.41 W 提升至10.95 W，提升了148.3%。

在不同的热源温度下冷端温度随冷却方式的变化规律如图11 所示，恒定条件为安装压力0.3 MPa，无导热硅脂。当热源温度分别为100 ℃、140 ℃和180 ℃时，采用风冷所对应的冷端温度分别为63.9 ℃、93.15 ℃和112.16 ℃，而采用水冷所对应的冷端温度分别为20.1 ℃、23.5 ℃和31.2 ℃。采用风冷方式无法及时散失冷端热量是导致温差发电片性能较差的主要原因。

图11 风冷和水冷对冷端温度的影响

当热源温度为140 ℃、冷源温度为20 ℃条件下，涂抹导热硅脂后对开路电压和输出功率的影响如图12、图13 所示，恒定条件为热源温度140 ℃，冷源温度为20 ℃。

图12 导热硅脂对开路电压的影响

图13 导热硅脂对输出功率的影响

由图12 可知，当安装压力为0.1 MPa、0.2 MPa 和0.3 M P a 时，涂抹导热硅脂后开路电压分别由30.18 Ⅴ，30.97 Ⅴ和31.14 Ⅴ提升至44.06 Ⅴ、44.28 Ⅴ和44.48 Ⅴ，分别提升了46.0%、43.0%和42.8%。

由图13 可知，当安装压力为0.1 MPa、0.2 MPa和0.3 MPa 时，涂抹导热硅脂后输出功率分别由7.54 W、7.85 W 和8.09 W 提升至17.9 W、18.1 W 和18.21 W，分别提升了137.4%、130.6%和125.1%。由于温差发电片冷、热端面与冷热源之间存在接触热阻，影响三者之间的热传递。在干接触状态下由于两接触表面之间会存在空隙，而空气的导热系数很低，从而会增大接触热阻，进而减少热源向温差发电片热端和温差发电片冷端向冷源之间热传递。通过涂抹导热硅脂的方式可以消除两固体接触表面之间的微空隙，进而增强传热。同时发现在涂抹导热硅脂后，开路电压基本不随安装压力的升高而变化。这是因为当涂抹导热硅脂后，硅脂与固体表面润湿性较好，可以有效地消除两接触表面之间微空隙，此时增加安装压力也不会进一步显著提升界面传热效果。

3 船用温差发电装置设计

3.1 实验装置

为了测试船用温差发电装置性能，本文设计了如图14 所示的测试平台系统。该系统利用工业热风机作为热源模拟柴油机尾气参数，利用波纹管将工业热风机与温差发电装置原型机相连接组成封闭循坏系统。

图14 船用温差发电装置

本文所采用的扰流装置分为单头螺旋叶片扰流装置和双头螺旋叶片扰流装置，如图15 所示。在实验过程中，将扰流装置插入方箱内，此时在扰流装置的作用下，进入方箱的热空气会螺旋前进，热空气在螺旋前进过程中会与方箱四壁发生碰撞，从而增加对流换热系数。

图15 扰流装置

3.2 实验结果与分析

在测试装置中利用工业热风机的设定温度来模拟船舶尾气温度。根据目前船舶主机、发电机的排烟温度，3 片为一组，16 组串联，在实验过程中设定工业热风机的温度分别为300 ℃、350 ℃和400 ℃，然后测量原型机法的发电性能。冷、热端面温度随热风机出口温度的变化关系如图16所示，恒定条件为无扰流。当热风机出口温度为300 ℃、350 ℃和400 ℃时对应的热端温度为96.5 ℃、106.9 ℃和123.0 ℃，对应的冷端温度为36.6 ℃、41.2 ℃和48.1 ℃，两者之间温差分别为59.9 ℃、65.7 ℃和74.9 ℃，说明在此种结构下热空气无法通过有效对流换热将热量传递给温差发电片。

图16 热风机出口温度对冷、热端温度的影响

热风机出口温度对输出电压、功率的影响如图17所示，恒定条件为无扰流。由图17 可知，开路电压随热风机温度升高而升高且基本呈线性增长规律。当无扰流、热风机温度为300 ℃、350 ℃和400 ℃时，温差发电装置开路电压分别为13.68 Ⅴ、14.92 Ⅴ和16.74 Ⅴ，与热源温度为300 ℃相比增长率分别为9.06%和22.37%。此时输出电压小于图10 中的输出电压，这是因为多片组合在一起，冷却效果变差。

图17 热风机出口温度对输出电压、功率的影响

与开路电压趋势相同，温差发电装置原型机的最大输出功率随热风机出口温度的增加呈现线性增加趋势，当热风机出口温度为300 ℃、350 ℃和400 ℃时对应的最大输出功率分别为20.19 W、25.92 W 和31.85 W，热风机出口温度为350 ℃、400 ℃时，与300 ℃相比最大输出功率增长率分别为28.38%和57.75%。与图7 相比，该输出功率远远低于温差发电片的额定输出功率，其原因主要是热空气的能量不能有效传递给温差发电片。

添加扰流装置后温差发电装置开路电压与热风机出口温度的变化规律如图18 所示。当热风机温度为300 ℃、350 ℃和400 ℃时，单头螺旋叶片扰流开路电压分别为16.9 Ⅴ、19.1 Ⅴ和20.89 Ⅴ，单头螺旋叶片扰流与无扰流相比开路电压增长率分别为23.54%、28.02%和24.79%。添加扰流装置与无扰流装置相比开路电压有显著提升，同时发现单头螺旋叶片扰流效果好。

图18 扰流对输出电压的影响

添加扰流装置温差发电装置输出功率与热风机出口温度的变化规律如图19 所示。当热风机温度为300 ℃、350 ℃和400 ℃时，单头螺旋叶片扰流输出功率分别为32.7 W、40.52 W 和47.54 W，单头螺旋叶片扰流与无扰流相比输出功率增长率分别为61.96%、56.33%和49.26%。与开路电压变化规律相似，添加扰流装置与无扰流装置相比输出功率有显著提升，同时发现单头螺旋叶片扰流效果比双头螺旋叶片扰流效果好。由于扰流装置促进了热空气与方箱内壁之间的热交换，从而提升温差发电装置热端温度。

图19 扰流对输出功率的影响

4 结论

研究表明，水冷比风冷发电性能好，安装压力对装置的性能影响较小，导热硅脂和热源温度对装置的性能影响较大。由于水冷可以为温差发电装置提供恒定的冷源温度，但是需要额外布置制冷装置、循环水泵及相应管系并且会消耗电能。风冷只需将散热翅片安装在温差发电模块冷端即可，它是依靠自然对流换热对冷端进行冷却，因此其具有结构简单、安装方便、无需后续维护保养及不需要额外消耗能源等优点，当热风机温度为300 ℃时，使用单头螺旋叶片扰流时，装置的最大功率达到47.54 W。