船舶柴油机余热利用温差发电节能设计及模型制作

蔡之洲+郑彤+聂伟民+程振+徐罗琳+叶林锐

[摘  要]笔者主要简要介绍了温差发电技术的工作原理和结构组成，在塞贝克效应基础上，设计了一种发电模块和电能管理模块所组成的温差发电装置。接着阐述该设计在船舶领域上使用的原理。最后探讨该系统设计的结构原理，探究系统与设计所能带来的经济收益，同时和别的节能设计相对比。

[关键词]温差发电;船舶余热;节能设计

中图分类号：U664.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0082-01

1 研究背景

19世纪初，国外学者塞贝克发现了塞贝克效应，在此基础上，国外对温差发电技术展开了大量研究。温差发电技术的研究兴起于上世纪的50年代，同时能够在航天器上实现长时间的发电，为人类探索宇宙助力。不过一直以来，尽管该技术优点突出，却因为为热电转换效率所阻碍（转换效率通常低于12%）以及成本过高的原因，所以该技术基本只在汽车、航空、电力与军事等工业领域使用，。

我国尽管对于半导体热电制冷的理论与应用研究有了不少成效，不过在温差发电方面的研究起步较晚，发展较差。按照塞贝克效应所制作的半导体温差发电片，通过船舶中的余热直接转化为电能。船舶冷却系统高温冷却器和低温冷却器之间的温差与废气锅炉中的废气与冷却水之间的温差让发电片的两极发电。因为单个发电片的发电功率不大，所以多个发电片聚集在一起后就能达到发电需求，产生的电能在稳压后，就能被直接采用，或是并入船舶电网。

2 温差发电原理

塞贝克效应

下图是塞贝克效应的示意图，此装置能够通过温差直接产生电能。在P型（N型）半导体里，因为热激发的作用极强，高温段的空穴（电子）浓度超出了低温段，在浓度梯度差的作用下空穴因为热扩散的效果，会由高温段往低温段扩散，这样半导体的两侧就产生了因为温度梯度差所带来的电动势，即温差电动势，如此，塞贝克效应就出现了。半导体热度安的载流子朝冷端扩散是造成塞贝克效应出现的重要因素。

半导体材料的优势在于，其温差优值超出金属导体许多，目前在研究中和各领域所采取的温差电材料基本以半导体为主，所以温差发电技术也叫作半导体温差发电。

一对由P型与N型半导体材料构成的电偶对就是最基础的发电单元了，倘若将多个电偶对串联，那么久构成半导体热点对，也就是温差发电模块。半导体热点对分为单级与多级，单级热电堆中只有一个固定温度的冷端与热端。下图是单级热电堆的结构示意图。

3 节能设计

从船舶柴油机的热平衡角度出发，用在动力输出方面的功率通常占到燃油燃烧总热量的一半还不到，剩余的热能排出占到燃烧总能量的一半还多，基本上以循环冷却水和尾气带走的热量为主。船舶余热利用就是对柴油机工作时没有转化为有效使用的热能展开回收，从而加强能源利用效率，节能能源使用。下表为船舶柴油机的热平衡表

3.1 船舶余热利用方式

船舶烟气余热尽管通过废气锅炉已经完成了一次余热的利用，不过通过废气锅炉后的烟气温度还维持在三百摄氏度左右，这些热量以传统的技术手段无法利用，约有百分之三十五的热量会直接排入大气，不但浪费了这部分的热量，还会造成环境污染，影响船舶柴油机使用的经济效果。为了能够充分使用余热，在温差发电原理基础上，笔者认为有两种途径能够实现该目的。

第一种途径是把温差发电片组成的阵列设置在柴油机的排气管和冷却水管中，通过废气与冷却水间的温差实现发电的目的。因为这样的做法能够直接利用废气里的热量，因此发电效率极高。第二种途径是把温差发电片阵列直接放在船舶的淡水冷却系统与海水冷却系统间，通过淡水与冷却海水间的温差实现对余热利用的目的，该法在效率上落后于第一种。

3.2 热交换器

热交换器在该节能设计中的目的是避免热量的流失，维持高效的热量传导，实现热量的有效利用。因为温差发电片的发电功率是由温差与热流密度所决定的，所以选取这两种常见的散热器，把温差发电片放在换热器管道里，分别把冷热两种流体导进换热器里，达到高效发电的目的。笔者在设计里把换热器中的管子（下图左）置换成双层管式结构（下图右），置换的目的在于，双层管式的结构中，内外管子中都安放了温差发电片，并用导热硅胶填满剩余空间，这种换热器的管子能够确保发电片的热流密度，从而最大化的利用热量。

4 性能对比和分析

4.1 经济型分析计算

按照热点与案例的工作数据来探究通过温差发电片实现传播余热利用是否可行，接着笔者将使用具体数据来计算发电量的大小。以使用TEHP1-12656-0.3型号的发电片为例，每片安装尺寸长款都为五十毫米，每平米能够安装该发电片240块，嘉定海水温度为三十摄氏度，废气温度为三百摄氏度，每平米的发电功率为五千瓦，传播每年工作时间为六千小时，每年发电量为31500KWh。

目前某型船发电机油耗为150g/KWh，每年能够减少六吨因发电而使用的燃油，根据目前每吨7000元的油价计算，每年能够减少42000元的燃油成本支出。该设计中的传播余热使用设备每平方米成本为30000元，在计算后得知，该设备投入使用后通过对余热的利用使得成本减少，两年后就能收回投资成本，两年后开始盈利。

4.2 和现有船舶余热利用技术的比较

该设计和目前船舶上常用的废气锅炉、余热汽轮机相比较，我们就能发现采用温差发电装置尽管对船舶柴油机余热回收时的效率不如另外两种装置，但是其质量更轻、结构简单以及低成本、少维护的优势，使其具有高性价比的特质。所以，该设计用在船舶余热利用方面有着更突出的优势。

5 结语

该装置是在塞贝克效应基础上发展而来的，利用船舶柴油机长时间工作后所排出的余热进行电力转换，设计了温差发电片的布置形式，达到对废热的有效利用的目的，加强了船舶柴油机的经济型。笔者相信，随着该技术的不断发展与热电转换效率的加强，笔者的设计将会有更加广泛的使用。

参考文献：

[1] 石卫卫，邓婳，吴智恒，等. 集装箱船余热回收系统中温差发电模块的热电耦合分析[J]. 机械，2011（08） .

[2] 王树刚，王如竹. 船舶余热回收现状及吸附制冷应用前景[J]. 中国修船， 2003（03）.