高温热电转换系统的流-热-电耦合机理、梯级调控及对流强化

The thermal-electric (TE) conversion system is a promising technology to recycle the high-temperature exhaust heat from the high temperature energy and power engineering systems, such as the microturbine, automobile engine, and biomass combustion systems. Its advantages include low cost, direct conversion from the thermal energy into the electric energy by the carriers in the solid-state materials, and it has little effect on the original thermodynamic cycle. However, there is a significant difference in the efficiency between the TE materials and TE systems because there are some drawbacks in the present TE system designs. This project aims to consider the effect of fluid in the system, and develop high-efficient TE conversion methods and systems based on the available TE materials from the view of engineering thermophysics. According to the numerical simulation, theoretical analysis and experiment, the purpose is to obtain a Fluid-Thermal-Electric-Coupled TE Legs-Module-System multiscale numerical method based on the finite volume method, a cascade control method that simultaneously adjusts the TE modules and heat transfer elements to maximize the energy utilization according to the heat flux distribution along the flow direction, and a high-temperature exhaust heat recovery method that has both the TE conversion based on the convection induced TE generator and heat recovery of recuperator. The results can provide a scientific support for the development of high-efficient TE systems.

热电转换系统在微型燃气轮机、汽车内燃机、生物质燃烧系统等高温能源动力系统的高温余热回收中具有广阔的应用前景，具有利用固体中的载流子实现热能和电能的直接转换、成本低、对原有热力循环过程影响小等优点，但是由于热电转换系统的设计方案不成熟，导致目前使用的热电转换系统与热电材料之间的效率仍存在很大差距。针对此问题，本项目旨在从工程热物理学科的角度，充分考虑系统中流体的影响因素，基于现有的热电材料来发展更加高效的热电转换方法和系统。通过开展相关的数值模拟、理论分析和实验研究，获得基于有限容积法的流-热-电多物理场耦合的高温热电单元-模块-系统多尺度数值分析方法，形成一套沿着流动方向的不同温度区间内高效梯度利用热量的热电模块与强化传热元件的同步定向调控方法，以及一套依靠强制对流激发发电温差来实现热电转换、兼具回热功能的高温余热耦合利用方法，为研究更加高效的热电转换系统提供基础理论支持。

热电转换系统在汽车内燃机、微型燃气轮机等高温能源动力系统的高温余热回收中具有广阔的应用前景，具有利用固体中的载流子实现热能和电能的直接转换、成本低、对原有热力循环过程影响小等优点，但是由于热电转换系统的设计方法不成熟，导致目前使用的热电转换系统与热电材料之间的效率仍存在很大差距。为此，本项目从数值分析方法、流-热-电耦合机理和性能调控方法等方面对高温和大温差热电转换系统开展了数值模拟和实验研究。研究结果发现传统第三类边界条件模型因忽略了流动方向上的温度变化而导致高温热电转换系统的数值预测结果出现较大偏差，提出了基于有限容积法与等效物性法、可以考虑流-热-电多物理场耦合的高温热电单元-模块-系统多尺度数值分析方法；发现高温热电发电系统沿程温度变化导致系统性能衰减，提出了适用于高温大温差热电发电系统的“上游密下游疏”非均匀梯级强化换热方法；发现传统“三明治”热电发电系统在高效传热和高效发电上存在矛盾，提出了新型一体化板翅式热电回热器结构；发现相变材料的最佳比热容温度区间很窄导致热电器件与单一相变材料发电系统的整体性能衰减，为热电器件与相变材料发电系统提出了组合相变材料强化方法。本项目研究成果提高了高温和大温差热电转换系统的数值预测精度，显著提升了系统发电效率，为提升能源动力系统的高温余热回收效率提供了理论基础。