船用柴油机排气余热温差发电技术研究

郑喜洋，王志刚，钟庆源

(中国船舶重工集团公司711研究所，上海210200)

船用柴油机排气余热温差发电技术研究

郑喜洋，王志刚，钟庆源

(中国船舶重工集团公司711研究所，上海210200)

基于循环导热介质设计了1种船用柴油机排气余热温差发电装置，并通过柴油机试验台架测试了该装置内部温度分布规律以及电能输出特性。试验结果表明,该装置通过循环导热的方式，为冷、热端提供十分均匀稳定的温度，有利于高品质电能的输出，而且得到了在电阻改变时装置的输出特性,验证了热电装置在船用领域应用的可行性。最后对该装置的优化改进提供了建设性意见，对今后的研究工作具有一定的指导意义。

热电材料；温差发电；船用柴油机

0 引言

柴油机具有排气温度高、 流量大等特点，在运行过程中大量的热能随排气流失，因此如果能将排气中的热能回收并转换成其他可利用的能量形式，就可以提高能源的使用效率。柴油机排气余热温差发电技术作为一种绿色环保的发电技术，可将排气中蕴含的热能直接转化成电能，且装置具有体积小、重量轻、可靠性强等特点[1]。国外研究人员通过建立船用温差发电机模型，对热电材料在船舶领域应用的可行性进行了分析。但此项技术在国内船舶领域的应用还属空白，目前得到一些院校和汽车厂商的重视并开发使用[3-5]。

本文结合船用柴油机的排气特点，在研究直接换热形式余热温差发电装置的基础上，设计了1套采用循环载热介质的船用柴油机排气余热温差发电装置，通过试验分析其应用的可行性，并针对试验结果提出改进措施。

1 余热发电的理论基础

热电元器件是温差发电装置的核心，能够实现热能到电能的转换，发电效率是由热电材料(即半导体材料)的性能和元器件的制造工艺共同决定的，工作原理可由Seebeck 效应解释。

1821年德国的物理学家Seebeck 发现，2种不同的金属经焊接的方式所组成的板块，如果板块两端不同金属间有温差存在，那么将会有微小电流产生，其原理如图1所示。

图1 Seebeck效应示意

图中，A、B表示P、N两种材料不同金属板，T1、T2分别表示冷热两端温度不考虑板块内阻的存在以及热传导现象的影响。

热电材料内部由温差而产生的电压ΔE，可由式(1)表示：

ΔE=αΔT

(1)

式中：ΔE为线路输出的电压，V；α为Seebeck系数，V/K；ΔT为T2与T1的差， K。

目前余热发电的转换效率不高，主要是受热电转换材料的限制，效率约为10%。考核转换效率的性能指标一般用温差电优值，见式(2)：

Z=α2σ/λ

(2)

式中：σ为材料的电导率；λ为材料的热导率；Z的量纲为K-1。

一般为了计算方便，常常用无量纲优值ZT作为评价材料热电转换效率的标准。要提高材料的热

电转换效率，关键在于找到温差电优值更好的材料。

目前，国内外研究较成熟并已实际应用的材料主要有Bi2Te3、PbTe、SnTe、TAGS、SiGe合金等，不同材料应用的温度范围、热电效率也各有差异，各材料与ZT的对应关系分别如图2、图3所示。

图2 P端材料特性

图3 N端材料特性

由图2、图3可知，200 ℃以下时，Bi2Te3属于低温段热电转换效率最高的材料，主要用于制冷元器件。300～500 ℃时，PbTe展现出良好特性，多用于温差电源；800 ℃以上时，SiGe材料的ZT约等于1，是目前航天器温差电源的主要使用材料。

2 试验装置的研制

在国内外专家学者研究工作的基础上，设计出1套采用循环载热介质的船用柴油机排气余热温差发电装置，并通过试验研究影响热电转换效率的因素。试验装置主要由换热模块、热电转换模块、电源管理模块和冷、热介质循环模块组成。装置原理图如图4所示。

换热模块是实现载热介质(导热油)与柴油机排气热量交换的场所。本装置采用导热油循环交换发动机排气热量，排气中的热量流经换热模块，将热量传递给换热模块中流动的导热油，携带热量的导热油流向热电转换模块。装置结构如图5所示。

热电转换模块是实现热能-电能转换的场所。热电模块由8个TEP-1型热电器件以串并联的形式构成1组，共3组，实现温差电机功率的拓展；热电器件由集热板、热电片和散热板组成；热电片作为核心部件，由热电材料制成，在两端面温差的作用下利用热电材料的Seebeck效应实现热电转换。

电源管理模块是管理热电模块发电量的场所。电源管理模块一方面追踪热电器件发电特性，结合载荷情况实现最大功率输出；另一方面将电能转换为与载荷匹配的电量。

图4 温差热电装置原理图

图5 温差热电转换模块结构

冷、热介质循环模块是实现导热油及冷却水循环的动力场所。冷却水来自柴油机冷却系统，通过流量计和比例调节阀等，实现流量的控制，为热电元器件提供所需的冷端温度；在循环泵的驱动下，导热油在换热模块吸收热量，到热电转换模块热端释放热量；循环模块管路上设置有膨胀槽和油气分离器，用来调节系统导热油的膨胀量，及时将因温度升高而产生的气体排出，以便维持导热油循环系统的稳定性。

3 试验结果及分析

柴油机排气工况见表1。在表1排气工况下进行试验，得到的试验结果见表2。表2中，T3为柴油机排气进入换热器温度，T4为柴油机排气出换热器温度，Q1为导热油循环流量。

试验数据表明，排气与导热油换热后，温度下降幅度较大，说明本套温差热电装置能有效回收柴油机排气能量。对以上数据进行处理，计算热电材料的热电效率，得到的结果见表3。

表1 排气工况表

表3 计算结果

试验结果表明：温差发电装置能够稳定地输出电压和电流，但热电转换效率并不高，后续进一步提高热电元器件转换效率是一个研究方向。

4 结论

在试验的基础上，为提高余热的回收利用效率，根据试验结果必须对温差发电装置的结构进行改进，建议如下。

(1)导热油循环换热系统与直接使用热电片相比，电源模块可以呈现更加稳定的电能输出。美中不足的是排气端仍有大量的未被回收利用，建议可以在原有基础上采用串并联的方式再增加几组热电模块，实现余热的多级回收利用。

(2)试验过程中发现3组热电模块内的温度呈梯度下降。由图2和图3可知，不同温度下不同的热电材料的热电转换效率差异明显。根据试验测定选用该温度下最佳热电转换材料，完成温度和材料转换效率的最佳匹配。

(3)热电材料的热端和冷端之间的温度差越大，转换效率就越高。通过采用提高热端温度，或者降低冷端温度的方式可以提高热电转换效率。

(4)本热电试验装置的管路布置导致管内流量不均匀，温度分布存在差异，可能会产生电压环流，影响电能输出的品质。因此，重新布置管路或加装流量平衡稳定装置，保证管内流体流量基本不变是十分必要的。

热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。它可以用于制作温差发电机或电制冷装置，这些热电器件具有结构简单、质量轻、体积小、无运动部件、寿命长、安全、清洁、环保等优点。船用柴油机排气温度高、流量大、热量损失大，将其与热电材料结合起来，实现余热再利用。试验表明了这种设计方案的合理性和可行性，但也存在热电转换效率不高的问题，该装置要实现在船舶上的实际应用还需进一步的试验研究。

[1] 涂小亮, 倪计民, 石秀勇. 汽车发动机排气余热温差发电技术的研究[J]. 汽车技术, 2015(4)：22-25，40.

[2] 刘洪阳, 刘万钊, 贺强，等. 发动机排气管余热发电研究[J]. 长春理工大学学报(自然科学版), 2007, 30(3):70-72.

[3] 欧阳羽宸, 叶似锦, 陈耀武，等. 基于船舶柴油机排气管的温差发电装置[J]. 电子世界, 2013(8):38-42.

[4] 徐立珍, 李彦, 杨知，等. 汽车尾气温差发电的实验研究[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2010(2):287-289.

[5] 李洪涛, 朱志秀, 吴益文，等. 热电材料的应用和研究进展[J]. 材料导报, 2012, 26(15):57-61.

2016-07-12

上海市经济和信息委员会项目(Z2014JMZ-002/015-1-DZ)作者简介：郑喜洋(1987—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为余热温差发电、船舶污染物排放控制。

TK11+5

A