宋赫，王洪明，董景明，曾维武

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.中国船级社青岛分社，山东 青岛 266071)



船舶主机缸套水余热温差发电装置的实验分析

宋赫1，王洪明2，董景明1，曾维武1

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.中国船级社青岛分社，山东 青岛 266071)

针对不同因素对船舶主机缸套水余热温差发电装置性能的影响问题，搭建船舶主机缸套水余热温差发电实验装置，实验表明，热交界面材料的种类和温差发电片连接方式会直接影响温差发电装置的性能。采用液态导热硅脂作为热交界面材料可有效地提高温差发电装置的发电性能；串联和并联方式获得的最大输出功率相近，但串联方式所匹配的负载约为并联方式的4倍，所获得的开路电压约为并联的2倍。

船舶；缸套水；余热回收；温差发电

船舶营运过程中主机会产生大量低品位热能，并以烟气和缸套水余热等形式耗散。由图1可知[1]，缸套水余热量约占柴油机总余热量的10%。如果能将这部分能量回收利用，就可以有效地提高船舶柴油机的燃油利用率，降低船舶能效营运指数(EEOI)，从而获得巨大的经济价值，同时满足国际公约的相关要求。

图1 MAN 12K98ME/MC型柴油机热平衡图[1]

温差发电技术是一种绿色的能量转换技术，可将热能直接转换为电能，在余热利用方面有着独特优势，能将工业余热、太阳能等热量转化为有用的电能[2]。已有的研究表明温差发电技术在船舶上应用可行[3]，以WD615型柴油机烟气余热为热源的温差发电装置，采用902片温差发电片，发电装置的效率为1.14%，可输出的最大功率为603.4 W[4]。以船用中速柴油机为研究对象，对烟气余热温差发电性能进行仿真模拟，当柴油机在额定工况下运行时，最大输出功率可达705.6 W[5]。目前，船舶余热温差发电技术的研究主要集中于烟气余热的回收利用，而对缸套水余热回收的研究相对较少。为此，考虑针对船舶主机缸套水余热的特点，设计并搭建主机缸套水余热温差发电实验装置，分析热交界面材料的种类和温差发电片连接方式对温差发电装置性能的影响。

1 实验装置

温差发电装置实验系统原理见图2。系统主要包括温差发电片、冷却器、加热器和数据采集装置。系统中使用保温材料对温差发电装置进行隔热处理。

图2 温差发电装置实验系统原理

为了使实验参数与实船主机缸套水系统参数更为接近，采用80、85、90和95 ℃的高温淡水模拟主机缸套水作为热源，30 ℃恒温淡水作为冷却水。高温淡水由Julabo F34恒温水浴提供，冷却水由Julabo FL2503恒温水浴提供，两者精度均为±0.5 ℃；采用Agilent-34972A数据采集仪进行数据采集；温度传感器为T型热电偶温度传感器，误差小于0.5 ℃；电流表量程为0～3 A，误差小于0.5 mA，最大误差为1.7 mA；电压表量程为0.007 0 V～9.999 9 V～50.000 V自动量程，正常误差小于5 mV，最大误差为17 mV。

实验中，将开关K2和K4闭合，开关K1和K3断开，进行串联实验；将开关K1，K3，K4闭合，断开开关K2，进行并联实验。

2 结果与讨论

2.1 热交界面材料种类的影响

不同材料交界面上存在不可忽略的温度降，引起该温度降的原因是界面上存在接触热阻。温差发电片和换热器表面放大后见图3、4，可以看到表面都是凹凸不平的，上述两表面贴合时实际接触面间存在大量微小空隙，造成界面上接触热阻很大，界面间温度降较大，最终导致温差发电装置的性能降低。

图3 温差发电片表面微观图

图4 换热器表面微观图

采用热交界面材料填充接触面之间的间隙能够减小接触热阻[6]。为了探究固体和液体热交界面材料对温差发电装置性能的影响，分别选取石墨导热贴和A3导热硅脂作为热交界面材料。实验采用SP1848型温差发电片，发电片数量和连接方式为双片并联，温差发电片与换热器之间的紧固螺栓的上紧转矩为0.3 N·m。

分别使用导热硅脂和导热贴时，不同热源温度下温差发电装置输出功率随负载阻值变化见图5。

图5 热交界面材料种类出功率的影响

由图5可知，热端温度分别为80、85、90和95 ℃时，采用导热贴时温差发电装置的最大输出功率分别为0.406、0.484、0.575和0.666 W，采用导热硅脂时装置的最大输出功率分别为0.828、1.001、1.178和1.378 W。后者与前者相比分别提高了103%、107%、105%和107%。由此可见，采用液态导热硅脂能够更好地减小温差发电片与换热器之间的接触热阻，从而提高温差发电性能。

采用石墨导热贴，以及导热硅脂作为热交界面材料时的伏安特性见图6、7。

图6 采用导热贴时的伏安特性

图7 采用导热硅脂时的伏安特性

可以看出，热源温度分别为80、85、90和95 ℃时，采用液态导热硅脂作为热交界面材料时可获得的最大电流与采用导热贴时所能获得的最大电流相比，分别提高了9.2%、18.5%、29%和35.2%。由此可见，随着温度的提高，上述最大电流值提高的幅度也越大，因此温度越高，越适合采用液态导热硅脂作为热交界面材料热交界面材料。

分别采用石墨导热贴与导热硅脂时开路电压随热源温度升高的变化见图8。

图8 不同加热温度时的开路电压

随热端温度的提高，开路电压呈线性增长，相同热端温度时，采用导热硅脂时的开路电压明显高于采用石墨导热贴时的值。同时，随着热端温度的升高，开路电压的差值逐渐增大。热端温度越高，导热硅脂的优势越明显。

2.2 温差发电片连接方式的影响

采用TEP126型温差发电片开展实验。双片TEP126发电片串、并联输出功率见图9、10。由图可知，相同工况下两者的最大输出功率非常相近，其差值在误差范围内，但是串联时输出功率随负载阻值的变化改变较小，相对稳定。串联时匹配负载为5.0～5.5 Ω，并联时匹配负载为1.2～1.4 Ω，串联时匹配负载约为并联时的4倍。

图9 TEP126双片串联输出功率

图10 TEP126双片并联输出功率

热源温度为80、85、90和95 ℃时，温差发电装置的最大输出功率分别为0.906、1.079、1.288和1.499 W。分别为相同工况下单片最大输出功率的1.961、1.944、1.957和1.957倍，略小于单片的2倍，分析认为双片联接后回路中电流增大，内阻由于焦耳效应产生的损耗有所增加。

双片TEP126型号发电片串联和并联2种连接方式下的伏安特性见图11。该曲线验证了串联易获得较高电压、并联易获得较大电流的特性。由图11可见，相同工况下两者存在交点，这是由于串、并联在不同负载阻值下取得最大输出功率，随着负载阻值的增加，并联方式先取得最大输出功率，阻值继续增加，并联方式的输出功率开始下降，此时串联输出功率仍未获得最大输出功率而继续上升，于是出现两者输出功率、电流和电压值分别相同的情况。

图11 TEP126双片串、并联的伏安特性

不同温度下，双片TEP126温差发电片串、并联时的开路电压见表1。由表1可知，相同工况下串联所获得的开路电压约为并联时的2倍，温度对开路电压的影响较符合线性关系。

表1 双片TEP126串、并连接方式开路电压

不同的连接方式可获得不同的输出功率、匹配负载以及开路电压，应用中应根据实际需求采用合适的连接方式，以提高温差发电装置性能。

3 结论

1)热交界面材料能有效减小接触面热阻，提高温差发电效率。与固态石墨导热贴相比，液态导热硅脂能够更好地减小温差发电片与换热器之间的接触热阻，使用液态导热硅脂作为热交界面材料能使温差发电装置取得更高的发电性能。热源温度越高时，液态导热硅脂越适合作为热交界面材料热交界面材料；

2)不同的连接方式所对应的最大输出功率、匹配负载以及开路电压不同。双片温差发电片串联和并联方式可获得的最大输出功率相近；串联易获得较高电压、并联易获得较大电流，两者存在输出功率、电流和电压值分别相同的情况。实际应用中，应根据负载阻值的不同选用合适的温差发电片连接方式，以提高温差发电装置的性能。

[1] 康春录.船舶余热蒸汽喷射器的数值模拟及实验研究[D].大连:大连海事大学,2016.

[2] LIU Weishu，Q J H S. Current progress and futurechallenges in thermoelectric power generation：From materials to devices[J]. Science direct,2015(87):357-376.

[3] 崔清华.半导体热电发电在船舶上应用的可行性研究[D].武汉:武汉理工大学,2010.

[4] 孔秀华.WD615型发动机排气余热发电装置的设计[D].大连:大连海事大学,2010.

[5] 叶晓军.船用中速柴油机废气余热发电技术研究[D].厦门:集美大学,2015.

[6] 张平.界面接触热阻的研究进展[D].南京:南京理工大学,2012.

Experimental Investigation of Thermoelectric Generator Using Waste Heat of Marine Main Engine Jacket Water

SONG He1, WANG Hong-ming2, DONG Jing-ming1, ZENG Wei-wu1

(1.Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China;2.Qingdao Branch of China Classification Society, Qingdao Shandong 266071, China)

To investigate the effects of different factors on performance of thermoelectric generator using marine engine jacket water waste heat as resource, an experimental device was set up. Experimental results showed that the kinds of thermal interface materials and connection types of thermoelectric generation pieces affect performance of the thermoelectric generator directly. Using liquid thermal conductive silicone as a thermal interface material can effectively improve the performance of thermoelectric generator. Series and parallel ways can obtain similar maximum output power. The matching load of series way is about four times the value of parallel way, while the open circuit voltage of series way is about twice the value of parallel way.

ship; jacket water; waste heat recovery; thermoelectric generation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.034

2016-12-12

国家自然科学基金(51409034)

宋赫(1992—)，男，硕士生

研究方向：船舶能源利用

U664.5

A

1671-7953(2017)04-0147-04

修回日期：2017-01-23