多级热源利用型温差发电系统的流场与温度场优化设计

许昊煜

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，安徽合肥230011）

多级热源利用型温差发电系统的流场与温度场优化设计

许昊煜

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东分公司，安徽合肥230011）

为了进一步提高温差发电系统的热电转换效率，从而提升其在分布式能源中的适用性，针对一种典型多级热源利用型温差发电系统，采用数值计算方法研究了不同燃烧器结构对系统的流场、温度场以及发电性能的影响，并提出了燃烧器结构的优化方案。模拟结果验证了系统级优化方案的合理性和可行性，优化后系统的流场和温度场得到较大的改善，热电模块的温度有较大提高且分布更为均匀，输出功率和发电效率提升显著。

分布式能源；温差发电；热源利用；流场优化；系统效率

0 引言

温差发电技术是指当金属或者半导体等材料受热时，其中的电子（空穴）顺温度梯度迁移从而产生电能的一种全固态的热电转化方式［1］。温差发电技术具有体积小、使用寿命长、输出稳定性强、热源适用范围广等优势，在耦合天然气、太阳能、地热能等多种分布式热源进行发电方面显示出了巨大的潜力［2－3］。

尽管如此，阻碍温差发电在分布式能源方面大规模应用的主要因素是其低下的系统级热电转换效率。尽管越来越多的新型高性能半导体热电材料不断被开发出来，相应的单个模块热电转换效率已经超过20%［4］；以碳纳米管为首的一些纳米热电材料的使用则能够进一步提升热电模块的效率［5－7］。但现有的温差发电系统的整体效率却远小于模块的热电转化效率。因此，通过系统结构和运行方式的优化从而提高温差发电系统整体效率的研究工作刻不容缓。

近年来，对于新型温差发电系统的研发经历了从低温到高温、从单级到多级的过程后，在提高系统性能方面取得了一些成果［8－11］。此外，已有学者通过优化换热面结构、模块布置方式以及流道的结构等手段，以强化传热和优化流场，进而提高温差发电器的整体性能［12－14］。但是目前的优化研究大多围绕单级温差发电系统的局部传热空间进行，鲜有通过将多级温差发电系统中的流场、温度场进行系统级优化的研究。因此，本文针对一种多级热源梯级利用型温差发电系统，利用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）软件对系统中不同的温度区间进行流场、温度场的整体优化设计计算，从而提高系统的发电效率。

1 温差发电系统的基本原理

在金属或半导体材料组成的温差发电模块的冷热两端，由温差形成电势差的效应被称为赛贝克效应。以图1所示的单级温差发电模块为例，其中的温差发电模块由多对PN型电偶臂组成，热源温度为T1，冷源温度为T2。其中，电偶臂从温度为T1的热源处吸收热量QH，经过电偶臂发电后向冷源T2散发热量QC。与此同时，由于热电模块的冷热端温度不同，分别为Th和Tc，由赛贝克效应产生的开路电压为

图1 单级温差发电模块发电回路示意图Fig.1 Schematic diagram of a thermoelectric generation circuit

则模块输出功率为

式中：α为热电模块的赛贝克系数；R和RL分别为模块的内阻和负载电阻。

由此不难看出，热电模块热端和冷端的温差直接影响温差发电系统的输出功率，进而影响整体的发电效率［15］。本文针对一种以天然气燃烧产生的高温烟气作为热源，以高温热电模块（Pb-Te材料）和中温热电模块（Bi-Te材料）作为发电模块进行耦合发电的系统，研究其系统的传热特性和发电性能，并且通过燃烧器内流场和温度场的优化设计，提高系统级的发电效率。

2 多级热源利用型温差发电系统

2.1 系统简介

典型的多级热源利用型温差发电系统的基本结构如图2所示，主要包括：燃气瓶、风机、混合室、遮焰罩、高温温差发电模块、中温温差发电模块、高温模块散热水套、中温模块散热翅片、气体管路、冷却水管路、引风装置、数据采集系统和其他辅助系统。高温温差发电模块为采用PbSnTe型环形热电模块，其尺寸为：外壁Φ220mm，内壁Φ150mm，高度248mm，布置在燃烧室的周围［16］。中温发电模块为Bi-Te半导体热电模块，尺寸为：40mm× 40mm×2mm，共4个，对称布置于烟道中［17］。通过将适用于不同温度区间的热电模块布置于系统的不同温度段，形成对于热源的多级利用。

图2 典型的多级热源利用型温差发电系统示意图Fig.2 Schematic diagram of a typicalmulti-level heat source utilization TEG system

2.2 基本工作原理

图2所显示的多级热源利用型温差发电系统的基本工作过程：经预混后的空气-燃料混合气体在燃烧器中被点燃产生高温烟气，烟气先后冲刷高温温差发电模块以及中温温差发电模块的内壁面（热端）使其被加热。冷却水流经散热套冷却高温温差发电模块的外壁面（冷端）对其进行冷却，而中温模块的冷端则采用散热片空气自然对流的方式进行冷却，从而维持高温以及中温热电模块两端温差，在该温差的驱使下产生稳定的电能输出。由此可见，由于高、中温热电模块布置于同一热源的不同温度区段，在空间上相互连接，因此二者在热源（烟气热量）的利用方面形成了耦合关系。

作为整个发电系统核心设备之一的燃烧装置，负责为热电模块提供热源。因此，可以综合考虑燃烧器结构对于高温及中温热电模块内壁周围流场和温度场的影响，对其结构进行优化，以实现整体流场的优化和强化换热，并系统级地提升发电性能。

3 燃烧器结构的优化设计及CFD模拟

3.1 燃烧器的结构优化方案

在高温温差发电系统或者多级温差发电系统的燃烧器中增加如图2所示的遮焰罩，被证明可以起到增加湍动度，强化换热的效果。燃烧形成的高温烟气无法直接排向环境，只能经过遮焰罩上的孔洞，对高温模块形成冲刷后再流向引风装置，强化了高温模块内壁与烟气的传热。但这种遮焰罩的加入，只考虑了高温模块局部的优化，系统级效率的提升有限。

因此提出如图3中Case2所示的新型遮焰罩，从图中不难看出，高温烟气在新型遮焰罩的“引导”下，被分成2个部分，一部分通过下方的孔洞冲刷高温模块内壁，另一部分则通过遮焰器内部通道直接进入了遮焰罩顶部，并通过上部孔洞进入中温模块的附近区域。与Case1所示的传统的遮焰罩相比，新型遮焰罩将热源的利用从串联变为并联，使更多高温烟气有机会聚集在中温模块附近，并且在孔洞周围增加了挡板，使得烟气能够更为平均地分配至模块内壁所需的各处，增加了模块内壁周围烟气的扰流。为了验证优化设计的合理性，对于2种不同的燃烧器下的系统流场和温度场情况进行CFD模拟。

图3 燃烧器的优化方案Fig.3 Optimization program of the burner

3.2 新型流场与温度场优化方案的CFD模拟研究

3.2.1 网格的划分和边界条件的设置

首先将整体模型切割成3份，进口处以及遮焰罩周围部分采用Tet/Hybrid型非结构化网格，对于其他部分使用Quad型Pave非结构化网格。总网格数为891 243，经检查，EquiSize Skew为0～0.1的网格数占99.63%，且其中不存在体积为0的网格，网格质量符合要求。热电模块部分的外观较为规则，网格划分方式选用Hex型。混合气的进口为空燃预混气体，出口为101 325Pa的压力出口，外壁面设置为绝热，内壁面设置为热耦合。

按照燃烧器说明书，燃烧嘴设置为65Pa压力入口出，出口为101 325Pa的压力出口。对于空气入口组分：选取氧气的体积分数为0.23，系统默认剩余的为氮气；燃料（液化石油气）体积分数分别为：氢气0.05，甲烷0.10，乙烷0.04，乙烯0.03，丙烷0.18，丙烯0.08，丁烷0.44，丁烯0.05，戊烷0.03。外壁面设置为绝热，内壁面设置为热耦合。遮焰罩设置为inner wall类型，并将高温模块和中温模块的传热相关物性参数按说明书中的内容输入模型。

3.2.2 模拟结果对比分析

图4为燃气、空气混合气进入燃烧器被点燃后，在Case1和Case2这2种情况下的中间截面流线图，从流线图中可以看出，Case2中的新型遮焰罩对于整体流场的扰流作用更为明显，且能够将高温烟气直接导流至中温模块附近进行冲刷，而Case1型的传统遮焰罩只能增加高温模块内部附近的扰流。由于新型遮焰器的作用，图中红框标出的a区域和b区域中，高温烟气垂直冲刷内壁的范围有较为显著的增加。但值得注意的是，在Case2中的c区域形成了较大的涡流，因此将造成热量在无关区域的堆积，需要在接下来的优化中改进。

图4 Case1和Case2工况下的中间截面流线图Fig.4 Streamline pictures ofmidsections in Case1and Case2

类似的结论可以从温度云图（图5）中得出，由于新型遮焰罩的加入，使得a区域和b区域内的高温区面积增大，传热得到强化。Case2中的高温模块和中温模块的温度都高于Case1中的温度。但是Case2在c区域有大量的高温区，而此区域附近并没有热电模块，因此需要继续优化结构从而去除无关高温区。

图5 Case1和Case2工况下的中间截面温度云图Fig.5 Contours of temperature field of midsection in Case1and Case2

3.2.3 流场温度场进一步优化方案

为了去除图4中的涡流区，减少无关区域的热量堆积，拟利用增加相应的环形挡板将此区域封闭，优化结果如图6中的Case3。图中在易于产生涡流的区域增加了挡板，将该区域封闭起来，从而将高温烟气引至中温模块附近。

图6 燃烧器的进一步优化方案Fig.6 Further optimizationprogram of the burner

3.2.4 优化结果分析

按照前文所述的网格划分方法、边界条件设置以及计算模型对Case3进行计算，并与Case2的计算结果进行对比。图7显示了Case2与Case3这2种情况下的中间截面流线图。从图中可以看出，环形挡板的加入，使得原来无关区域的涡流消失，靠近内壁面的流体较为顺利地进入到中温模块附近。

图7 Case2和Case3工况下的中间截面流线图Fig.7 Streamline pictures of midsection in the Case2and Case3

图8 Case2和Case3工况下的中间截面温度云图Fig.8 Contours of temperature field of midsection in the Case2and Case3

图8显示了Case2与Case3这2种情况下的中间截面温度云图，新型遮焰罩中部增加环形挡板后，中温模块附近的流体温度有了较为明显的提升，中温模块的整体温度也随之升高。此外，在Case2中间无关区域的高温区也在Case3中有所降低，因此可以判断高温烟气没有在此聚集，而是进入了中温模块的附近。

图9显示了不同工况下中温模块内壁温度的轴向平均温度分布，从图中可以看出，经过流场和温度场优化，Case2和Case3的中温模块在轴向温度分布的均匀性上要高于使用原始遮焰罩的Case1。此外，Case3的内壁温度要明显高于Case2和Case1，由此可见，新型遮焰罩对于提高中温内壁温度、优化温度分布有着显著的作用。

图9 中温模块内壁温度的轴向平均温度分布Fig.9 Axialaverage temperature of medium temperature TE modules inner wall

图10显示了不同工况下高温模块内壁温度的轴向平均温度分布。通过观察内壁温度随轴向距离的变化趋势可以发现，使用传统遮焰罩的Case1中的温度整体上低于Case2和Case3，与此同时，Case1中的温度梯度更大，对于高温模块的安全性有着负面的影响。而Case2和Case3的温度分布更为均匀，且Case3的整体温度最高，可见新型的遮焰罩有效的改善了高温模块附近的温度场，加强了烟气与模块间的传热。

图10 高温模块内壁温度的轴向平均温度分布Fig.10 Axialaverage temperature of high temperature TE modules inner wall

将模块的赛贝克系数、负载以及热源功率结合各工况下的模块冷热端温差，可计算出不同工况下高温及中温模块输出功率以及系统效率，如表1所示。从表中可以看出，Case3相较于其他工况，拥有最高的输出功率以及系统效率。相比于使用原始的遮焰罩，输出功率提升了133.8W，效率提升了1.51个百分点，增幅达到30%。

表1 系统中各点温度模拟与实验对比表Table 1 Temperature table of the simulation and experimental value

4 结论

本文针对典型的多级热源利用型温差发电系统，通过对其燃烧器的结构进行优化设计研究，从而系统级地优化了流场和温度场，通过数值模拟验证了此次优化设计工作，得出如下结论：

（1）新型燃烧器结构的优化使得系统整体的流场和温度场得到较大的改善，强化了热源与模块之间的传热。

（2）CFD的计算结果验证了流场温度场优化方案的合理性，直观地反映了燃烧器优化后，模块周边流场和温度场的变化情况。

（3）系统的输出特性对比结果表明，经过流场温度场的优化后，多级热源利用型温差发电系统的输出功率提升了133.8W，效率提升了1.51个百分点，增幅达到30%。因此该方案对于提升系统的输出特性，提高热电转化效率有着积极作用，可以作为后续新型温差发电器设计及制造等相关工作的依据。

［1］TOBERER E.Thermoelectric phenomena，materials，devices，and applications［C］//APS March Meeting 2013.Baltimore，Maryland：APS，2013，58（1）：23-29.

［2］BELL L E.Cooling，heating，generating power，and recovering waste heat with thermoelectric systems［J］.Science，2008，321（5895）：1457-1461.

［3］赵建云，朱冬生，周泽广，等.温差发电技术的研究进展及现状［J］.电源技术，2010，34（3）：310-313.ZHAO Jianyun，ZHU Dongsheng，ZHOU Zeguang，et al.Research progress of thermoelectric power generation［J］.Chinese Journal of Power Sources，2010，34（3）：310-313.

［4］BISWAS K，HE J，BLUM I D，et al.High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures［J］.Nature，2012，489（7416）：414-418.

［5］张丽鹏，于先进，肖晓明.热电材料的研究进展［J］.现代技术陶瓷，2006，30（3）：20-25.ZHANG Lipeng，YU Xianjin，XIAO Xiaoming.Development of thermoelectric materials［J］.Advanced Ceramics，2006，27（3）：20-25.

［6］尹跃超，杨国梁，马浩原，等.热电薄膜材料研究进展综述［J］.广东化工，2016，43（12）：90-91.

［7］石玥，高方圆，董国波，等.新型高效热电材料研究进展［C］//全国青年材料科学技术研讨会，2013.

［8］褚泽，苟小龙，肖恒.二级半导体温差发电器性能优化分析［J］.计算机仿真，2009，26（10）：274-278.CHU Ze，GOU Xiaolong，XIAO Heng.Performance optimization analysis of two-stage semiconductor thermoelectric-generator［J］.Computer Simulation，2009，26（10）：274-278.

［9］平会峰.高温温差发电系统的性能分析［D］.重庆：重庆大学，2015.PING Huifeng.Performance analysis on a high temperature thermoelectric generation system［D］.Chongqing：Chongqing University，2015.

［10］GOU X，XIAO H，YANG S.Modeling，experimental study and optimization on low-temperature waste heat thermoelectric generator system［J］.Applied Energy，2010，87（10）：3131-3136.

［11］KWAN T H，WU X.Power and mass optimization of the hybrid solar panel and thermoelectric generators［J］.Applied Energy，2016，165：297-307.

［12］STEVENS J W.Optimal design of smallΔT thermoelectric generation systems［J］.Energy Conversion ＆Management，2001，42（6）：709-720.

［13］ESARTE J，MIN G，ROWE D M.Modelling heat exchangers for thermoelectric generators［J］.Journal of Power Sources，2001，93（1）：72-76.

［14］CRANE D T，JACKSON G S.Optimization of cross flow heat exchangers for thermoelectric waste heat recovery［J］.Energy Conversion ＆Management，2004，45（9-10）：1565-1582.

［15］张华俊，陈浩，王俊，等.冷、热端温度对半导体热电堆发电性能影响的初步研究［J］.太阳能学报，2001，22（2）：148-152.ZHANG Huajun，CHEN Hao，WANG Jun，et al.A primary research on generation performance of the semiconductor thermoelectric module under variable cold-side and hot-side temperature［J］.ActaEnergiae Solaris Sinica，2001，22（2）：148-152.

［16］QIU K，HAYDEN A C S.Development of a thermoelectric self-powered residential heating system［J］.Journal of Power Sources，2008，180（2）：884-889.

［17］许昊煜.一种热能梯级利用型温差发电系统的优化设计［J］.分布式能源，2016，1（1）：57-64.XU Haoyu.Optimization design of a cascading thermoelectric generation system［J］.Distributed Energy，2016，1（1）：57-64.

Flow Field and Temperature Field Optimization Study on Design of a Multi-Level Heat Source Utilization Thermoelectric Generation System

XU Haoyu
（East China Branch，China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，Anhui Province，China）

In order to increase the efficiency and applicability of thermoelectric generation（TEG）system in distributed energy，with the framework of numerical calculation，an optimized scheme of burner is proposed to study the influence of burner structure on flow field，temperature field and the generation performance of a typical multilevel heat source utilization TEG system.The simulative results prove the rationality and feasibility of the proposed optimization method，which indicate that the flow field and the temperature field are optimized，the temperature uniformity of the thermoelectric modules，the output power and efficiency of the system are improved.

distributed energy sources；thermoelectric generation；heat source utilization；flow field optimization；system efficiency

许昊煜

2017-01-04

许昊煜（1991—），男，硕士，助理工程师，主要从事热力设备及系统节能、优化和故障诊断的研究工作，langhaoyu＠126.com。

（编辑 蒋毅恒）

TK43

A

2096-2185（2017）01-0044-06

10.16513/j.cnki.10-1427/tk.2017.01.007