基于连续流体热源的多模块热电发电技术热量传递与热电转换机理研究

Thermoelectric power generation is one of the three most potential power generation technology in the 21st century. Continuous fluid, isotope and hydrocarbon fuel combustion are three main heat sources for thermoelectric power generation. The key scientific problems of the continuous fluid heat source multi-module thermoelectric power generation technology that the heat transfer and thermoelectric conversion mechanism of the system when thermal characteristics and electrical characteristics intercoulping has not been effectively resolved. This project intends to establish the physical and mathematical model of continuous fluid heat source thermoelectric power generation system when thermal characteristics and electrical characteristics intercoulping, analyze the effect of thermoelectric material physical properties, thermoelectric element size, fluid heat source temperature, flow pattern, flow rate, flow channel geometry characteristics and other factors on thermoelectric conversion power and efficiency, and then reveal heat transfer and thermoelectric conversion mechanism and laws. Combineing the characteristics of research needs and engineering applications, a thermoelectric power generation experiment platform will be established contains continuous fluid as the heat source, multi-fluid channel, multi-thermoelectric module. The temperature distribution data along heat transfer, along flow, the heat transfer and thermoelectric conversion laws will be accessed. The established theoretical model will be verified and perfected. The research results of project can provide a reference for thermoelectric power generation technology in the field of low-grade waste heat recovery.

热电发电是21世纪三大最具潜力的发电技术之一。连续流体、同位素和烃燃料燃烧是热电发电的三种主要热源。连续流体热源多模块热电发电技术的关键科学问题即热特性和电特性相互耦合时的系统热量传递与热电转换机理尚未有效解决。本项目拟建立热特性和电特性相互耦合时的连续流体热源热电发电系统物理与数学模型，分析热电材料物性、热电单元尺寸、流体热源温度、流态、流速、流道几何特征等因素对热电转换功率及效率的影响，进而揭示系统热量传递与热电转换机理与规律。结合研究需要和工程应用特点，建立以连续流体为热源、多流体通道、多热电模块组成的热电发电实验平台，获得热源与冷源流场沿传热方向与流动方向温度分布数据、热电转换规律，对建立的理论模型加以验证和完善。本项目的研究成果可为热电发电技术在低品位余热回收领域的应用提供参考。

热电效应是迄今为止人类发现的由温差直接获得电能的方式中能量转换效率最高的方式。随着热电材料转换效率大幅提升，成本大幅下降，热电发电技术在低品位余热利用领域展现出巨大的发展潜力，成为低品位热能发电的重要途径。连续流体热源是低品位热能的主要形态。本项目聚焦热电发电技术应用关键科学问题，建立了热特性和电特性相互耦合时的连续流体热源热电发电系统物理与数学模型，分析了关键因素对热电转换功率及效率的影响，揭示了系统热量传递与热电转换机理与规律，取得了一些具有较高学术理论意义和工程应用价值的成果，主要研究内容如下：. 1. 建立了变温连续流体热源多模块热电发电系统通用模型，得到了不同结构形式的控制方程，给出了系统功率与效率的求解与分析方法，提出了折算面积热阻与功率密度分析方法，揭示了设计参数对系统性能的影响规律。. 2. 分别选取两种典型余热资源即冲渣水和烟气余热为热源，针对余热特点，设计了水冷式和空冷式两种换热方式、单级和两级两种模块组合方式共计8种余热利用方案，详细分析和对比了不同资源与不同冷却方式下的热电发电技术性能指标。. 3. 将热电转换效率与单位发电成本、成本回收周期相结合，建立了热电发电余热回收装置的综合评价指标，可为其在低品位余能回收领域的应用价值评价提供参考。. 4. 设计了一种适用于200℃以下连续流体为热源的多模块热电发电系统，建立了相应的实验平台。. 5. 制造了连续流体热源热电发电装置样机，开展了工程应用性能测试。. 通过本项目研究，总计发表学术论文19篇，包括中国科学、机械工程学报综述各1篇。培养硕士2人，博士2人。相关研究成果经总装备部相关部门批准，在远望6号测量船得到推广应用。