结霜工况下用于液化天然气冷能回收的环形热电发电机电气拓扑优化

《Energy》：Electrical topology optimization of annular thermoelectric generators for LNG cold energy recovery under frosting conditions

　　

摘要

先前的研究表明，在液化天然气（LNG）再气化过程中，非均匀温度梯度会导致热电发电系统中出现显著的失配损失。与此同时，霜冻对冷能回收效率的影响尚未得到充分探索。因此，本研究建立了一种包含霜冻效应的热电-流体耦合传热模型，用于分析LNG环境空气气化器与环形热电发电机阵列的集成系统。为了解决热电发电系统中的严重失配损失问题，提出了一种多阶段串并联拓扑优化策略（MS-ATEG）。结果表明，霜冻削弱了系统的外换热能力。如果忽略霜冻效应，运行周期末期的峰值输出性能将被高估27.1%。此外，对不同拓扑方案的对比分析揭示，沿管道长度的最优拓扑分割点与LNG相变位置存在显著的内在耦合关系。优化后的MS-ATEG系统可以实现输出功率提升8.6%–11.7%，减少失配损失，并有效提高LNG冷能的利用效率。同时，拓扑优化可以缓解霜冻导致的输出性能退化。最后，研究了不同LNG工况下MS-ATEG的热电性能和霜冻特性。在0.2、0.6和1.0倍额定流量下，与优化前相比，系统输出分别提升了114.3%、20.9%和11.0%。优化系统在热驱动力波动的条件下表现出增强的鲁棒性。

引言

清洁能源的高效利用已成为日益重要的全球优先事项。液化天然气（LNG）作为一种相对清洁高效的化石燃料被广泛使用[1]，近年来全球LNG贸易稳步增长[2]。在再气化过程中，每千克气化的LNG可释放约830–1040 kJ的冷能。据此，每小时气化1吨LNG可提供约289 kW的物理?[3,4]。由于这部分冷能通常被排放到环境中，其回收对节能和环境保护具有重要意义。

发电是LNG冷能利用最有前景且可扩展的途径之一[5,6]。传统方案包括有机朗肯循环[7]和直接膨胀涡轮机，通常结构复杂且资本投入高。相比之下，热电发电（TEG）依赖于塞贝克效应[8]，无需工作流体循环且没有运动部件。TEG模块还具备模块化特点，易于扩展。这些特性使TEG系统在LNG接收站和移动应用中具有吸引力，包括船舶和车辆[4]。先前的研究已证明将TEG与LNG气化器集成的可行性。例如，Lobunets等人报道了一种LNG气化器集成热电发电机，输出功率为800 W，估计电价约为0.015美元/kWh[9]。近期的综述进一步总结了从材料级进步到器件和系统级发展的TEG能量回收技术[10]。然而，系统设计和材料性能仍然制约着TEG系统的输出。

提高TEG输出功率和转换效率的努力集中在热电材料和组件、热管理和结构设计、多级温差利用以及抑制失配损失的电路拓扑方面[11]。在材料和组件层面，纳米结构工程、多组分固溶体和界面工程可以在提高载流子传输的同时降低晶格热导率[12]。优化腿的纵横比、截面积和填充因子也可以改善热电电阻匹配[13][14]。热管理策略通过优化换热器构型[15]、增加有效换热面积、优化翅片布置[16]和降低界面热阻来提高冷热侧的换热。多级温度分配和分段级联可以进一步在大温度梯度下提高能源利用[17]。

在这些方法中，电路拓扑优化最近成为提高TEG性能的有效策略[18]。在不改变冷热侧边界条件的情况下，可以通过调整热电模块的互连方式来提高电力输出[19]。例如，He等人使用递归优化算法来确定汽车尾气TEG系统中模块的串并联配置。优化后的混合拓扑比纯串联或纯并联配置多产生约7.2%的功率[20]。Choi和Kim提出了通过改进电流匹配实现电流协调的方法，其中模块根据其温差被分组为电层。他们的仿真表明，双层拓扑相比全并联配置输出功率提高了约15.6%，转换效率提高了16.2%，失配损失从12.5%降至1.9%[17]。

Thankakan和Nadar在非均匀温差下比较了四种热电模块阵列拓扑：串并联矩阵、总交叉连接、桥接连接和蜂窝配置。方形串并联矩阵提供了最佳的整体性能[21]。模块排列也会影响系统性能。在汽车应用中，Tang等人沿排气流向排列TEG模块，使具有相似温差的模块位于同一串联支路中，从而减少失配损失[22]。其他研究考察了动态重构，其中电气连接根据温度场的变化进行调整[23]。

总体而言，电路拓扑优化已成为提高TEG阵列性能的重要技术路线。先前的研究为汽车废热回收和工业废热利用等应用中的TEG系统设计提供了有用的指导[24]。然而，对于用于LNG冷能回收的TEG系统，拓扑优化策略的应用和研究仍然有限。现有的LNG-TEG研究主要关注热侧结构设计和换热增强，包括特殊形状的换热器和在低温工况下优化的TEG模块尺寸，从而提高单个模块的输出和效率[25]。相比之下，从能源利用策略的角度来看，电气拓扑如何影响冷能回收效率却鲜有关注。在LNG冷能回收研究中，系统优化通常通过累加单个热电模块的输出或假设沿流向排列的所有模块都以全串联方式连接来进行简化。然而，在实际的LNG冷能回收系统中，热电模块的数量通常较大，且沿流向的热边界条件变化显著。在全串联配置下，回路电流受到整体等效电动势和等效内阻的联合约束，导致大量失配损失。此外，较大的内阻增加了内部电损失，抵消了部分生成的功率。这些问题在远距离冷能回收应用中尤为突出。此外，尽管一些已发表的研究提出了建模和优化方法，但大多数并未考虑霜冻对输出性能的影响[26]。这一疏漏可能直接导致系统输出功率的高估，而缓解霜冻导致发电性能恶化的策略仍探索不足。例如，参考文献[27]中的LNG冷能回收分析仅考虑了稳态条件，未纳入霜冻效应。

为填补这些研究空白，本研究围绕三个工作假设展开。第一，LNG冷能回收涉及较大的轴向温度跨度，从112 K到230 K。在再气化过程中，工作流体依次经历液相、气液两相和气相状态，导致冷热侧温差、传热系数和局部发电能力在轴向上呈现显著的非均匀性。这种非均匀性可以在全串联环形热电发电机（ATEG）系统中引起电流失配和功率损失。第二，沿LNG流向对环形热电模块进行空间分段的多阶段串并联连接，可以将具有相似热边界条件的相邻模块分组到同一电级中。这使得每一级都能更接近其局部最优输出条件运行，从而提高电流匹配并减少由非均匀温差引起的失配损失。第三，由于轴向热边界变化受LNG相变强烈支配，多阶段ATEG（MS-ATEG）的最优分割点预计与LNG相变位置相关。尽管霜冻削弱了外换热并减小了有效温差，但优化的固定拓扑预计在霜冻运行周期末期仍保持相对于未优化拓扑的性能优势。

为验证这些假设，本研究建立了气化器与环形热电发电机阵列（VATEG）集成的热-流体-电耦合模型，并纳入了霜冻效应。该模型用于分析LNG再气化过程中的轴向温度分布、功率分布和失配损失的形成机理。在此基础上，提出了一种空间分段的MS-ATEG拓扑优化方法，以级数和轴向分割点作为主要优化变量。随后研究了最优拓扑与LNG相变位置之间的关系。在代表性周期末期霜冻条件和不同LNG流量下，进一步评估了优化固定拓扑的输出性能和鲁棒性。总体而言，本研究阐明了电气拓扑如何调节LNG冷能回收TEG系统的输出性能，从能源收集策略的角度提高了发电量，并为LNG冷能回收以及其他涉及大温度梯度的热电应用中的TEG系统设计提供了方法参考。

数学模型

常规的环境空气气化器（AAV）通常由多个垂直排列的翅片管换热器并联组成。LNG从气化管底部进入并沿管向上流动，由周围环境空气的自然对流加热。为利用LNG再气化过程中散发的冷能，ATEG被集成在AAV翅片管与LNG管道之间（图1）。管道内外壁之间的温差……

结果与讨论

本节分三部分呈现结果：霜冻特性、拓扑优化和鲁棒性评估。首先，利用所开发的模型分析霜冻对VATEG温度场、功率输出和最优设计参数的影响。然后考察系统的热电性能，以识别失配损失的来源并指导电路拓扑优化策略的设计。最后，进行灵敏度分析以及……

结论

本研究关注非均匀温差和霜冻条件下LNG冷能热电回收系统的输出特性。建立了一种包含传热、相变、热电转换和霜冻生长过程的全面VATEG模型，并分析了多阶段串并联电路拓扑的优化效果。主要结论如下：

(1) 热电装置集成到管道中可以……

CRediT作者贡献声明

邱晓宇：原创草稿撰写，数据整理。杨文龙：审阅与编辑，方法论，概念化。朱文超：项目管理，资金获取。郭冰鑫：调查，形式分析。薛佳睿：审阅与编辑。谢长军：监督指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委资助（52407251和U24B20103）。

邱晓宇 | 杨文龙 | 朱文超 | 郭冰鑫 | 薛佳睿 | 谢长军

武汉理工大学汽车零部件先进技术湖北省重点实验室，武汉，430070，中国