楊文迪，張浩，吳文捷

基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流船舶防腐蝕系統(tǒng)

楊文迪，張浩，吳文捷

（武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430000）

海洋有著豐富的波浪能，但目前對波浪能的利用較為單一，大多利用波浪能發(fā)電，且設(shè)備大部分都在海岸線附近，在廣闊海平面上的利用較少。船舶燃油存在巨大熱損，且此部分能量損失得不到合理的利用。設(shè)計了一種基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流船舶防腐蝕系統(tǒng)，將能源轉(zhuǎn)化為電能，利用外加電流的陰極保護法原理，對船舶的電化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕起到一定的防護作用，加強了對船體的保護。

波浪能；塞貝克效應(yīng)；船舶；電化學(xué)腐蝕

1 研制背景及意義

中國是造船大國，但是船舶在水體中存在著嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，其中最為嚴(yán)重的為電化學(xué)腐蝕，也存在著微生物腐蝕。

對于船體防腐蝕，一般同時采用涂層防腐和電化學(xué)防腐等幾種方式，電化學(xué)保護就是讓腐蝕電池的電位差消失或減少，從而達到降低電化學(xué)腐蝕的效果，具體方式分為外加電流的陰極保護法以及犧牲陽極的陰極保護法。向船體通入一定量的陰極電流，使之陰極極化，把被保護金屬相對于陽極裝置變成一個陰極，使之免遭電化學(xué)腐蝕，這就是外加電流陰極保護原理。在船體上連接金屬性更強的金屬，使它相對于船體成為一個陽極，在發(fā)生腐蝕時犧牲陽極，使船體成為一個陰極，使之避免電化學(xué)腐蝕，這就是犧牲陽極的陰極保護法。但是這兩種方式都存在一定的問題：①第一種方式需要定期更換陽極，且替換用廢的陽極是困難且昂貴的；②第二種方式與第一種相比，需要更多的檢測和維修費用，且需要外部電源、持續(xù)的電流供給費用。船舶腐蝕如圖1所示。

圖1 船舶腐蝕

基于以上背景，本項目組設(shè)計了一種基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流舶防腐蝕系統(tǒng)。對于社會而言，使用波浪能和溫差發(fā)電的方式有利于保護環(huán)境、節(jié)約資源，并且可以完成對船體的保護，避免侵蝕。對造船業(yè)及船體使用個人而言，使用本裝置可以在保護船體的前提下降低檢測維修的成本，減少更換陽極的復(fù)雜工序，并減少更換陽極及供給電流的費用。

2 設(shè)計方案

設(shè)計了一種基于波浪能和塞貝克效應(yīng)的外加電流船舶防腐蝕系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在船行駛與?？窟^程中，分別采用塞貝克效應(yīng)與波浪能進行發(fā)電，將所產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流控制，根據(jù)船體形成腐蝕電池的電位差，對船體加上反向電壓，利用外加電流的陰極保護法的原理，在節(jié)電的同時有效防止電化學(xué)腐蝕，同時，對微生物腐蝕起到一定的防治作用。

圖2 裝置總體示意圖

2.1 波浪能發(fā)電部分

波浪能發(fā)電裝置如圖3所示，裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。船舶行駛時，發(fā)電裝置掛載在船體上，在船舶靠岸?？繒r，

將波浪能發(fā)電裝置從船體取出，海浪在靠岸邊波浪較大，利用波浪能進行發(fā)電，所產(chǎn)生的電流通過整流控制之后，向陽極端輸送，使腐蝕電池引起的電位差為0，從而達到保護船體金屬的作用。

2.2 塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電裝置

塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電裝置如圖5所示。船舶柴油機的熱平衡如表1所示，從表1來看，用于動力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30%～45%。以余熱形式排出的能量占總?cè)紵康?5%～70%（柴油機），主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量。船舶排氣筒溫度高達300 ℃，將溫差發(fā)電的熱端以圖5方式貼合于排氣筒，通過水泵將冷卻水輸送到冷端，達到溫差發(fā)電的效果。將發(fā)電產(chǎn)生的電量整流控制通過恒電位儀輸送到陽極板，完成對船體的陽極化，保護船體。

圖3 波浪能發(fā)電裝置

圖4 裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 塞貝克效應(yīng)溫差發(fā)電裝置

表1 船舶柴油機的熱平衡

熱平衡各分項/（%）高速柴油機中速柴油機 轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?0～4035～45 冷卻介質(zhì)帶走的熱量20～2510～20 廢棄帶走的熱量35～4030～40 其他熱量損失5～1010～15

3 系統(tǒng)理論計算

以長征號為例，船體主要尺寸如下：兩柱間距124 m，型寬為17.6 m，型深（至遮陽甲板）10.9 m，（至主甲板）8.4 m，設(shè)計吃水6.0 m，滿載排水量7 703 t，方型系數(shù)乙0.591，航速18.1 n mile/h，空載吃水首24 m，尾5.39 m。 根據(jù)布魯可夫算式求出船體水下面積，為：

在考慮總的保護面積時，必須加上舵的面積和螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時與海水接觸的有效面積，船體的保護面積約為水下面積的110%，總保護面積總=1.1×=2 500×1.1=2 750 m2。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，電位在﹣0.9～﹣0.8 V時，保護效率達到94%～99.5%，船在水下的面積相當(dāng)大，各處保護電位不可能相等，考率多方面原因最佳保護范圍為﹣0.9～﹣0.8 V。船體最大電流保護電流密度為45 mA/m2，因此，船總體最大保護電流=45×2 750=123 750 mA。

考慮到陽極的材料，選用含2%銀的銀鉛合金做陽極，最大工作電流密度為250 A/m2，每只陽極的工作表面積為0.05 m2（長1 000 mm、寬50 mm、厚37 mm），每只陽極的最大輸出電流=0.05×250=12.5 A。

全船安裝這種陽極10只，陽極能在大部分時間內(nèi)處于50～100 A/m2的工作范圍內(nèi)，正是銀鉛合金最合適的范圍，以陽極消耗2/3為使用壽命，則假定陽極一直在滿負(fù)荷狀態(tài)下使用，其壽命按以下公式計算，約為11年：

式（1）中：為陽極表面積；為陽極厚度；為鉛密度；為工作電流；為消耗率。

即。

參比電極的作用為測量船體電位，以觀察船體的保護程度。船體的總保護電流為125 A，電壓為0.8～0.9 V，選取0.85 V計算，功率=125×0.85=106.25 W。

與犧牲陽極的陰極保護法和外加電流的陽極保護法分別進行對比，分析本系統(tǒng)的效益。

3.1 犧牲陽極的陰極保護法

采用ZAG-C的鋅-鋁-鎘合金型犧牲陽極，其外形尺寸為500 mm×100 mm×45 mm，每塊犧牲陽極質(zhì)量為13.6 kg，發(fā)生電流t為680 mA，最大保護電流a為123 750 mA。

保護船體所需陽極數(shù)量=a÷t=123 750÷680≈182塊。

鋅-鋁-鎘合金型犧牲陽極總質(zhì)量=182×13.6=2 475.2 kg。

可根據(jù)下列公式估算出犧牲陽極的使用壽命：=（×1 000）÷（×8 760）=（13.6×780×1 000×0.9）÷（0.7×680×

8 760）≈2.29年。

每年消耗量為：=÷=2 475.2÷2.29≈1 080 kg=1.08 t。

采用犧牲陽極的陰極保護法，則一年消耗1.08 t陽極。ZAG-C的鋅-鋁-鎘合金型犧牲陽極每千克價格為20元，此船一年減少犧牲陽極使用價格=1 080×20=21 600元。

按照系統(tǒng)應(yīng)用于10 000條船計算，每年減少消耗的陽極總=1.08×10 000=10 800 t。

減少陽極使用價格總=21 600×10 000=21 600萬元。

3.2 外加電流的陰極保護法

船體的總保護電流為125 A，電壓為0.8～0.9 V，選取0.85 V計算，功率為=125×0.85=106.25 W。

每年消耗的電量=106.25÷1 000×365×24=930.75 kW·h。

每年節(jié)省電量總=930.75×10 000=9 307 500 kW·h。

4 總結(jié)分析

本裝置基于半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，將經(jīng)船舶排氣管損失的熱量進行電力轉(zhuǎn)換，設(shè)計了溫差發(fā)電片的布置形式以及一套完整的工作系統(tǒng)，實現(xiàn)廢熱的有效回收利用，提高了船舶的經(jīng)濟性。半導(dǎo)體材料具有利用溫差進行發(fā)電的能力，將柴油機排氣管傳遞到機艙內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)換為高品位電能，給船舶通電防止侵蝕；在岸邊利用波浪能發(fā)電，使能量被回收利用。

隨著溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，熱電轉(zhuǎn)換效率的提高，波浪能發(fā)電的效率提高，本套裝置系統(tǒng)將有更大的現(xiàn)實意義。

利用波浪能以及塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的電流防止船舶被腐蝕，將犧牲陽極保護中的犧牲陽極塊更換成只起導(dǎo)電作用而不溶解的輔助陽極，在陽極和鋼板之間加一直流電源，并通過海水構(gòu)成回路。電源向鋼板輸入保護電流，使鋼板成為陰極而得到保護。該外加電流保護系統(tǒng)由恒電位儀也就是外加電源、參比電極、不溶性輔助陽極構(gòu)成。整個系統(tǒng)使船體電位始終保持在保護電位范圍內(nèi)。

溫差發(fā)電裝置在船舶排氣管上的應(yīng)用可以創(chuàng)造很大的經(jīng)濟效益，而且不需要人工管理，具有很好的前景。

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TG174.41

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.003

2095－6835（2019）13－0005－02

〔編輯：張思楠〕