温差发电技术在国防工程中的应用探讨

李 锴，张海涛



温差发电技术在国防工程中的应用探讨

李 锴1，张海涛2

（解放军理工大学国防工程学院，南京 210007）

温差发电技术是一种绿色环保的发电方式，它可以利用太阳能、地热能、海洋热能、工业余热废热等低品位能源转化为电能。温差发电器是能将热能直接转化成电能的固态装置，具有结构简单、稳定可靠、无运动部件、绿色环保等优点，广泛地应用于航天、军事领域，在废热的回收利用方面也展现出良好的应用前景。本文首先简要地介绍了温差发电技术的国内外研究进展，探讨了温差发电技术在国防工程电力系统建设中的应用前景，对发电系统进行设计，提出了存在问题并进行展望。

塞贝克效应 温差发电 国防工程

0 引言

温差发电结构简单、无噪声、使用寿命长，是被世界公认的绿色环保发电方式。由于其显著优点，温差发电在军事、航空等领域得到了广泛应用。随着石油储量日益减少，发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究。我国虽然在温差发电理论和热电材料制作方面具有一定的理论实力，但是在温差发电器综合设计和应用方面的研究还很欠缺。随着智能电网技术不断发展，国防工程的内部能源系统如何应对战争威胁已是当务之急，温差发电系统提供了一个特殊的解决方式。

1 国内外温差发电技术的研究进展

自20世纪60年代以来，由于国防、军事等特殊行业需求，温差发电技术的应用迅速发展，一些具有较好热电性能的材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等相继而生。前苏联和美国先后研发了数千个放射性同位素或核反应堆温差发电器用作航空、海洋装置的电源。随著环境污染加剧和能源危机,人们开始关注温差发电在废余热利用中的价值，很多国家已将发展温差发电技术列为长期能源开发计划。日本开展了一系列以“固体废物燃烧能源回收研究计划”为题的政府计划，研究用于固体废物焚烧炉的废热发电技术[1]。在美国能源部和纽约州能源研究开发权利机构资助下开发了汽车尾气余热发电系统，使用20组HZ-20热电模块，最大输出功率255.1 W[2]。

国内在温差发电方面的研究起步相对较晚，工业应用极少。80年代中期，中国能源所对半导体温差发电相关课题进行过研究与试验，到了90年代末，天津大学物理系也对“混合式温差能利用技术”进行了试验研究。国家海洋局第一海洋研究所在“十一五”期间重点开展了海洋温差能的研究，并于2012年成功建成了一座15 kW实用温差发电装置，填补了我国在此领域的空缺。

2 温差发电技术在国防工程中的应用研究

2.1 应用背景

国防或地下工程内部能源供给系统必须满足五方面要求:一是系统的安全与稳定;二是运行调节能力强;三是满足地下工程对供电、供热、制冷、除湿等多种综合服务要求;四是低污染、低排放、低能耗、低噪声及伪装性能优良;五是注重经济性[3]。

柴油机是目前为止热机领域中效率最高的内燃机，对于国防工程发电设备选择而言，柴油机以其较大的功率范围、高可靠性、寿命长、经济性等一系列优点，已取得了绝对的统治地位。其热效率约为30～55%，而废气带走的能量也占到了燃油发热总值的25～40%，从而具有很大的回收利用潜力。尤其是对于大功率柴油机发电机而言，因其耗油量多，排放温度高且排气量大，所以其废气中蕴藏的可回收利用的能量非常大[4]。

表1 柴油机的热平衡数值。从表中可见柴油机燃料燃烧所放出的能量仅有约三分之一被有效利用，其它的能量则通过废气、冷却水等方式散发掉，而其中排气散失的能量所占的比例较大，而且研究表明排气能量的品质较高。因此，有效回收利用这部分能量对于降低能源消耗、提高柴油机对能源的整体利用效率、降低CO2排放等具有重要的意义。

然而目前在国防工程内部并没有充分利用柴油机废气中这部分宝贵的能量，大部分只是将柴油机废气用于废气涡轮增压器后通过废气锅炉就直接排入大气。更进一步而言，柴油发电机组的排气温度高达350℃以上，能量品位较高。对于品位高的余热能量应该考虑先作动力利用，再作热利用，以最大限度的回收其余热能量。另一方面高温烟气排放极易暴露目标，难免遭受高科技尖端武器精确制导打击，且柴油发电机组噪声较大，对人员造成次伤害。

国内外对柴油机尾气温差发电研究还不够成熟，在船舶用柴油机组余热发电方面可能涉及较多，但在国防工程领域利用温差发电技术，目前还是空白。

2.2 发展优势

目前利用柴油发电机余热发电有三种常见方式，一种是利用废气进行涡轮发电，一种是靠朗肯循环来实现蒸汽透平发电，还有一种就是温差发电,也是目前在该领域应用较少的一种技术。

从市场前景来看，温差发电技术相比其他两种方式有以下几个发展优势：

1）节能效果明显。对内燃机电站废气进行温差发电的研究表明,对于一个1 MW的机组,如果排气温度为370℃,烟气流量6000 m3/h,采用温差发电扣除掉维持系统自身运行的冷却水泵消耗功率后可以得到16 kW的功率,转换效率为3.8%。通过温差发电器发出的电完全可以满足照明设施及其他用电设备的用电量。

2）经济成本低。由于热电材料的实际应用技术还在研究阶段，价位相对较高，单个热电模块价格约50～250元。如果以后进入全面产业化阶段，成本会进一步降低，这对于现有的柴油机组等运动部件的成本来说是微不足道的。

3）体积小、结构简单。以热电模块F30345举例，每片大约4 mm厚，面积为16 cm2，因此温差发电器所占据的体积也是有限的。整个装置只需将这些发电模块串、并联在一起，并用夹紧机构固定在排气管或集热板外侧即可，安装方便，这些优势都有助于温差发电技术运用在柴油机废气排放利用中。

2.3 系统设计

柴油机尾气余热温差发电系统主要由集热器、温差发电片、冷却器以及电子管理系统组成。集热器接在内燃机排气管上，通过收集内燃机尾气中的余热，并将热量传递给半导体温差发电片，而温差发电片将热能转化为电能。冷却装置用来给半导体温差发电片的冷端散热，以增大冷热端的温差，从而提高发电效率，循环冷却装置可以集成到柴油机中，也可以采用单独的循环水泵和散热器。整个系统可分为热电转换部分、电力供给部分、冷却装置、控制器四部分。图1是温差发电系统的职能图。图2是温差发电器的结构设计图。

当柴油机启动时，控制器接通系统电路和冷却水泵，热电模块开始发电(待排气管外壁温度明显上升后)，同时冷却水循环系统开始工作。各热电模块间并联，所发电流经电信号传感器和放大电路处理后，接入恒流充电电路，储存在蓄电池中。当蓄电池的电量充满时，蓄电池检测仪将信号传给控制器，控制系统停止工作。当蓄电池电量不足50%时，蓄电池检测仪将信号传给控制器，控制系统再次启动。产生的电能先经过升压电路、稳压电路，为其他用电设备供电，将富余的电能存储在蓄电池中。蓄电池一部分电供直流设备使用，一部分经逆变器转换为交流，供交流设备使用。

3 存在的问题

3.1 发电效率

温差发电的效率效率普遍处于4～10%之间，远低于火力发电的40%，最主要的原因是热电材料性能不理想，另一方面是发电器的散热问题，这大大限制其使用范围。

3.2 发电匹配

发电机输出功率与整个系统各个参数有关，如冷热端温差、接触热阻、回路电流、负载电阻等。在不同的工作条件下，温差发电器的性能差别很大，需要寻找适合系统工作的最佳参数区。

3.3 环境因素

高温会引起周围杂质向热电材料扩散，从而引起热电材料的塞贝克系数减小。湿气会使得在焊接处产生原电池，从而在接头处产生电解腐蚀作用而导致设备损坏。

4 结论和展望

目前，针对汽车或内燃机排气余热利用已引起众多国内外研究机构的兴趣，温差发电技术是其中比较新颖并更适合柴油机使用的一种余热利用方式。它能够通过温差而产生电流，将柴油发电机组排放废气中的热能转化成电能，从而达到能源回收和节能目的，这是一个全新的课题。对半导体温差发电来说，提高其发电效率主要由两个方面，一方面是对温差发电外部结构的优化分析，另一方面是寻找高优值的半导体温差发电材料。提高温差发电材料的优值系数是提高发电片发电效率的研究方向。还应考虑利用柴油机尾气利用温差发电发出的电能用来对尾气进行静电除尘。

[1] Kyono T, Suzuki R O, Ono K. Conversion of unused heat energy to electricity by means of thermoelectric generation in condenser[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18(1):330-334．

[2] 赵建云，朱冬生. 温差发电技术的研究进展及现状[J]. 电源技术，2010，34(03):310-313.

[3] 李集，谌力. 地下工程 PEMFC 分布式发电系统运行稳态安全评估[J]. 电气技术，2014，（3）：50-54.

[4] 孙培廷，李斌. 船舶柴油机[M]. 大连:大连海事大学出版社，2002.

Review on Thermoelectric Power Generation Technology Used in National Defense Project

Li Kai1, Zhang Haitao2

(Engineering Institute of National Defense，PLA University of Science&Technology，Nanjing 210007, China)

Thermoelectric power generation is an environment-friendly power source which can use the low-grade heat energy such as solar heat, geothermal energy, industrial waste heat and so on, to generate electricity. Thermoelectric generators are solid state devices which can directly convert thermal energy to electricity and have advantages of simple structure, reliability, no moving parts and being friendly to the environment, can be widely used in aerospace, military fields, and have broad prospects in application of recovery of industrial waste heat. This paper briefly reviews the recent developments and application status about thermoelectric, discusses the thermoelectric power generation technology applications in defense projects in the electricity system construction and gives problems of thermoelectric generators and their solutions.

Seebeck effect; thermoelectricity; defense projects

TM619

A

1003-4862（2015）03-0008-04

2014-10-18

李锴(1987-), 男，硕士。研究方向：国防工程内部柴油机组尾气温差发电。