在环境问题和能源问题的日益严重的背景下,天然气作为一种清洁、高效的能源得到了越来越广泛的应用,对天然气利用过程中的冷能的回收利用的研究受到了越来越多的关注。由于天然气的生产量及消费量非常巨大,随之释放的冷能也是不可忽视的一部分,而回收利用这部分冷能,不仅可以减少能量的损失,避免额外的能量消耗,还可以减轻对环境的影响。半导体温差发电是一种全固态的能量转换方式,采用这种方式来进行能量的回收,特别是此类中低温余热能,具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、使用方便等优点,应用于回收利用LNG的冷能方面,几乎不受LNG气化器、气化量的影响,因此可以灵活方便的应用于各种场合。本文将温差发电技术应用于冷能回收方面,设计搭建了低温温差发电性能测试实验装置与冷能温差发电实验装置,研究了低温条件下温差发电性能和各种条件对其的影响,以及沸腾换热对温差发电的影响规律。为了更好的衡量温差发电在低温条件的性能并应用于冷能的回收利用方面,本文设计搭建了低温性能测试平台,测试了热电模块的低温性能,获得了冷热端温度、加载压力与界面材料等因素对热电模块的影响。实验结果表明,低温下增大热电模块加载压力可以提高热电模块性能,最佳加载压力为1.1 MPa-1.5 MPa左右;热电模块热端温度的提升会显著提高热电模块的性能,当冷热端温差达到43℃,可获得最大输出功率0.28 W,最大转化效率可达0.38%。热电模块在低温环境下,赛贝克系数与电阻率均会随温度的降低呈现减小趋势,而热导率会随温度降低而增大,模块ZT值随温度降低而降低,低温下为常温下的1/10。低温条件下采用石墨纸来减小接触热阻较为合适。为了将天然气沸腾传热过程与温差发电相结合,真正将温差发电应用于冷能回收,本文以液氮为冷源,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,获得了液氮沸腾传热过程对温差发电特性的影响规律,实验结果显示,随着液氮的气化,流动通道分为液相区、两相区和气相区,当液氮流量较大时主要为液相区和两相区,沿程冷热端温差与开路电压逐渐增大;当流量较小时气相区长度大于液相区和两相区,沿程冷热端温差与开路电压均先减小后增大,其中开路电压由于受材料物性的影响增大幅度较小。此外,随着液氮流量的增大,发电器最大输出功率明显增大,在125 SLPM时,系统获得最大输出功率为0.14 W。最后本文指出,冷热端温差远小于冷热源温度以及热电模块低温性能不佳是制约冷能温差发电性能的关键因素。