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原文传递发动机排烟余热温差发电机的实验研究

论文题名：	发动机排烟余热温差发电机的实验研究
关键词：	船舶内燃机;温差发电机;排烟系统;余热回收
摘要：	发动机自1816年由苏格兰的斯特林发明以来，它的影响一直饱受争议，它极大地改善了人们的生活，但超过50％的燃料能量通过散热以及废气的形式排放到大气中，从而导致气候危机，威胁着人类的生存环境。在“碳达峰，碳中和”的大背景下，余热利用被认为是碳减排最经济的方案之一而被广泛研究。余热的特点是温度较低且回收利用难度较大，因此将低品位余热转化为高品位电能是余热利用最理想的技术路线之一，即使在较低的转换效率下也因为大量的余热而产生可观的可利用能源。温差发电技术是符合上述前提的一种技术，且该技术基础下的温差发电机（ThermoelectricGenerator,TEG）由于结构简单、无运动部件以及使用寿命长等特点作为性价比最高的解决方案之一而被广泛利用。　　对此，本文基于温差发电技术对船舶发动机排烟系统中的余热回收应用进行了详细研究，包括了设计、实验、优化、示范应用以及全生命周期碳排放评估，以理论分析计算、实验分析以及示范应用的研究方法实现了温差发电技术在船舶内燃机实际应用领域的突破。本文的主要工作和成果如下：　　（1）对于船用内燃机的温差发电机设计建立了理论分析设计模型，从理论层面将温差发电材料、温差发电机的结构以及温差发电系统之间联系起来，为设计高性能的温差发电机以及其优化手段提供了可靠的参考依据；　　（2）通过实验验证了理论分析设计模型的可靠性，在24片温差发电芯片（ThermoelectricModule,TEM）的单个余热温差发电模块下实现了96.6W的发电功率，与理论演算对比最大误差和平均误差分别为15.3%和6.9%。　　（3）通过该分析设计模型对现有的温差发电机进行性能评估，从理论演算数据层面详细解释了TEG设计难点。高发电性能与过大压降的耦合问题提出了一种可行的优化方向：采用交错式圆肋柱集热器等强化传热技术，要在保证足够的集热面积的同时，通过扩大气体流通面积来降低排气速度从而实现对压降的控制；　　（4）考虑到实际应用场景的空间限制以及工程问题，余热温差发电机需要进行模块化设计，因此对多个温差发电模块进行实验分析其不同连接方式的性能特点以及适用范围，考量了其功率负载特性、风速与压降特性以及发电效率和系统效率。　　（5）经实验分析结果：并联和串联TEG系统采用2个余热TEG模块48片TEM，并联TEG系统最高发电功率111.33W，压降220Pa，风速11.69m/s，发电效率和系统效率分别为2.02%和1.32%；串联TEG系统最高发电功率118.73W，压降560Pa，风速7.17m/s，发电效率和系统效率分别为2.89%和1.45%；　　（6）进行了两代船舶发动机排烟余热温差发电机的示范应用，第一代在5万吨运煤船“浙能一号”上完成了1024W的发电功率，第二代在千吨级散货船“浙长兴货5912”上完成了463W的发电功率；　　（7）对万吨级船舶的温差发电机进行了全生命周期的碳排放评估，在20年使用寿命，年均6000小时的工作时间以及1024W每台的发电功率条件下可在全生命周期完成净减排104.45tCO2e，预计实现量产后将会更高，这也验证了船舶内燃机TEG在节能减排的重要作用。　　本研究推动了温差发电技术在船舶发动机排烟余热回收利用领域的发展，并将在未来通过温差发电材料的革新、集热技术的优化、实验条件的改进以及更多的示范应用下进一步发展与创新。
作者：	应杰
专业：	机械
导师：	李国能
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江科技学院
学位年度：	2022