天然气作为一种优质、清洁、高效的能源得到越来越多的应用,对天然气产业中余能的回收利用亦受到广泛关注。天然气余能具有分布广泛、温度跨度大的特点。既有来自液化天然气气化过程中的低温冷能,亦有天然气锅炉排放的低温湿烟气,还有来自天然气汽车的高温尾气。利用天然气多品位余能进行发电被认为是天然气余能最有效的利用模式之一。温差发电器作为一种无运动部件的固态能量装换装置,其在各种中低温非稳态余能发电中可灵活、方便的加以利用。本文将温差发电技术应用到天然气多品位余能回收利用中,根据不同品位余能资源的特点,研究相应的热电转换规律,并开发高效热电转换技术是本文的主要研究内容。在液化天然气冷能温差发电方面,结合空温式气化器与温差发电技术,设计了带温差发电装置的新型气化管,将天然气复杂传热过程与热电转换过程相耦合建立了数学模型,获得了新型气化管的传热与发电特性,结果表明,与传统气化管相比,新型气化管管外壁面温度会明显提高。当管内流体处于液相区与两相区时,发电效率能够维持在1.57%~2.12%之间,在气相区,随着天然气温度的升高,发电效率将逐渐减小。此外,发现存在最优的管长可使输出功率最大,最优管长与最大输出功率随流量的增大近乎线性增大。根据前述模型,以液氮为冷源,空气为热源,设计并搭建了冷能温差发电实验系统,实验研究了冷能温差发电器的热电性能,获得了液氮传热过程对温差发电特性的影响规律,结果显示,随着液氮的气化,在液相区与两相区,沿程冷热端温差与开路电压逐渐增大,在气相区,两者均先减小后增大,其中开路电压由于受材料物性的影响增大幅度更大。此外,随着液氮流量的增大,发电器最大输出功率明显增大,同时指出,冷热端温差远小于冷热源温差以及模块低温性能不佳是冷能温差发电性能不好的主要原因。湿烟气由于含有大量水蒸气,不仅潜热量巨大,而且烟气发生冷凝时,传热系数亦会明显提高。针对湿烟气的这一特点,建立了湿烟气温差发电数学模型,发现湿烟气温差发电特性曲线分为显热发电区与混合发电区,并且两个发电区的发电性能曲线显示出不同的特点。同时,还发现湿烟气发生冷凝时,模块的发电性能存在跃升,这导致其输出功率曲线存在拐点。此外,通过探讨烟气参数对温差发电性能的影响,发现烟气中水蒸气含量存在临界值,能够直接判断烟气冷凝潜热是否有必要回收发电。考虑到湿烟气冷凝时发电性能大幅提高,提出利用烟气加湿的方法来提高温差发电器的性能。通过对新系统进行能量与?分析,发现烟气加湿降温不会引起系统能量的损失,但引起系统?损失增加。由于新系统大幅度减小了热端对流换热的?损失,因此输出功率得到提高,并且换热系数的增大亦能够减少发电模块的面积。针对高温湿烟气,进一步提出中间加湿温差发电系统,既能够充分利用烟气的高温,亦能够提高烟气温度较低时的发电性能,并且发现存在最优中间加湿温度,可使输出功率达到最大的同时,所需的发电模块面积最小。针对高温汽车尾气,为避免强化尾气通道的换热带来过大的阻力圧损,提出中间流体循环汽车尾气温差发电系统,该系统首先利用中间流体与尾气进行换热,升温后的中间流体再用于温差发电,因此实现了尾气换热过程与温差发电过程的相对分离,与传统温差发电系统相比,在不改变尾气换热面积的情况下,采用中间流体循环温差发电系统,不仅能够小幅提高最大输出功率,而且最优模块面积能够减小68.9%,同时新型温差发电系统沿程模块的温度分布更加均匀,有利于延长模块的使用寿命。考虑到中间流体循环尾气温差发电系统中,中间流体循环会引入额外的功耗,因此又提出相变式尾气温差发电系统,该系统利用相变介质的沸腾与冷凝进行尾气余热的传递,使得模块热端的热流密度更加集中。针对相变式尾气温差发电系统,通过建立数学模型,分析了新系统的热电转换规律。与传统温差发电系统相比,其最大输出功率增大了32.6%,并且最优模块面积减小了73.8%,相变式温差发电器表现出更优异的发电性能。