[论文解读] Large-scale Ocean-based or Geothermal Power Plants by Thermoelectric Effects

Liping Liu|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出利用海洋或地热热源、温差较小的大规模热电发电厂，通过层压热电材料显著提升功率因子。研究表明，此类电厂在经济上可行且可扩展，海洋波浪能可无净成本驱动流体循环，实现在热带地区的连续绿色电力发电。

ABSTRACT

Heat resources of small temperature difference are easily accessible, free and unlimited on earth. Thermoelectric effects provide the technology for converting these heat resources directly into electricity. We present designs of electricity generators based on thermoelectric effects and using heat resources of small temperature difference, e.g., ocean water at different depths and geothermal sources, and conclude that large-scale power plants based on thermoelectric effects are feasible and economically competitive. The key observation is that the power factor of thermoelectric materials, unlike the figure of merit, can be improved by orders of magnitude upon laminating good conductors and good thermoelectric materials. The predicted large-scale power plants based on thermoelectric effects, if validated, will have a global economic and social impact for its scalability, and the renewability, free and unlimited supply of heat resources of small temperature difference on earth.

研究动机与目标

• 证明利用海洋温跃层或地热储层等低温度差热源的大规模热电发电厂的可行性。
• 通过材料工程提升功率因子而非传统优值因子，解决传统热电系统在经济性和可扩展性方面的局限。
• 设计一种系统，利用海洋波浪能驱动流体循环而无需净能量投入，实现连续、免维护的电力生成。
• 表明当热源免费且无限时，即使转换效率较低，热电发电机也能实现具有竞争力的功率输出和成本效益。

提出的方法

• 通过将热电（TE）材料与良好导体层压，使功率因子提升数个数量级，绕过传统优值因子优化带来的效率限制。
• 设计一种热电发电机，将冷的深海水泵入暴露于较暖表层水的TE管中，通过管壁形成温度梯度以发电。
• 采用分段式TE管模型，各段保持恒定电流密度，针对固定温差下单位体积最大输出功率进行优化。
• 应用纳维-斯托克斯方程建模圆柱形管道中的层流，推导体积流量和粘性功率损耗作为压力梯度、半径和长度的函数。
• 利用能量和热平衡方程建模沿管路的温度变化，考虑通过管壁的热通量和流体冷却，获得出口温度的解析解。
• 推导出总电功率输出作为温差、材料特性、管几何形状和流动参数的函数，包含沿管路温度的指数衰减效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 当由免费且无限的热源（如海洋温跃层或地热储层）供电时，大规模热电发电厂是否具有经济可行性？
• RQ2 通过结构工程（如与导体层压）可将热电材料的功率因子提升至何种程度，以抵消其低转换效率？
• RQ3 能否利用海洋波浪能驱动热电发电机中的流体循环而不产生净能量成本？
• RQ4 沿热电管的温度分布如何影响整体功率输出？实现最大功率发电的最优分段长度是多少？
• RQ5 在现实流动和材料参数条件下，大型基于海洋的热电发电厂的理论功率输出是多少？

主要发现

• 通过将良好导体与热电材料层压，热电材料的功率因子可提升数个数量级，即使优值因子较低，也能使大规模应用成为可能。
• 总电功率输出近似为 $ P_{\rm out} = \frac{P_f \theta^2 l_{\rm tb} L_{\rm tb}}{4t_{\rm tb}} \frac{1 - \text{exp}(-\theta)}{\theta} $，其中 $ \theta = \frac{2\theta_{\rm tb}}{L_*} $，表明其依赖于材料特性、几何形状和温差。
• 流体出口温度为 $ T(L_0) = T_{\rm ex} + e^{-\theta/2}(T^0 - T_{\rm ex}) $，表明沿管路存在指数冷却，若不优化流动或几何形状，将限制最大功率输出。
• 粘性功率损耗建模为 $ P^d = \frac{8\theta L Q^2}{\theta R^4} $，表明泵送损耗与流量平方成正比，可通过最优管道设计最小化。
• 系统可通过波浪激活的阀门系统由海洋波浪驱动，无需外部能量输入即可维持冷储水箱的水位，实现零净能量的流体循环。
• 所提出的装置可实现连续、可靠、绿色的电力生成，无活动部件，维护成本低，且在三维方向上具有可扩展性，特别适用于热带海洋区域。