作为一种热电全固态直接转化方式,温差发电技术由于其体积小、适用性强、稳定性高等突出的优点,在分布式能源以及清洁能源供给等方面具有较好的应用前景并得到了越来越广泛的关注,然而较低的能量转换效率大大阻碍了其推广使用。为了提高系统的发电效率,提出了一种基于热能梯级利用的温差发电系统结构,通过数值计算和实验研究相结合的手段分析了系统的动、静态性能,为系统结构和运行的优化提供理论支撑。主要研究内容与成果如下:(1)提出了一种热能梯级利用型温差发电系统,在理论计算的基础上完成了燃烧子系统、温差发电模块、冷却水系统等重要部件的设计。热力性能计算结果表明,合理布置的高、中、低温温差发电模块能够有效地实现对热源的梯级利用,以大幅度提高整个系统的发电效率。(2)通过对温差发电系统的各级组件的计算流体力学分析,优化了相关部件的结构,得到了环形带孔遮焰装置等关键设备的最优尺寸,有效地确保了系统的可用性。(3)基于流动、传热、燃烧及热电转换等基本规律,构建了反映热能梯级利用型温差发电系统的动态特性的数学模型。模拟与实验数据的对比充分证明了模型的正确性。分析结果显示,系统中不同级别的温差发电模块在动态特性上具有较大的差异,其中高温模块的功率输出无论是在启动过程还是系统扰动过程中的达到稳定的时间均较短,而中、低温温差发电模块的稳定时间则更长。(4)根据理论计算、CFD模拟以及动态特性仿真的相关结果以及燃烧器优化方案搭建了热能梯级利用型温差发电实验台,测试结果表明,本系统的发电效率可以达到7.05%,相较于单级高温温差发电实验台系统效率,提升了1.93个百分点。