温差发电器是一种固态能量转换装置,因其结构简单、安装方便已逐步成为汽车尾气余热回收利用的重要方式之一。目前尾气温差发电器的热电转换效率依然较低,制约其应用推广,虽然通过尾气流道的传热强化可提高其发电性能,但由此带来的阻力压降势必影响内燃机正常运行。因此,开发低流阻、高效率温差发电器对于推动尾气余热温差发电技术的商业化进程具有重要意义。本文以高温空气为热源,搭建了温差发电实验平台,实验研究了空气热源参数与模块使用数量对平板型温差发电器热电性能的影响。随着空气流量与温度的增加,系统的最大输出功率、阻力功耗逐渐增加,低温高流量时,阻力功耗占比高达24.2%;随着模块使用数量的增多,系统的最大输出功率先增大后减小,存在一个最优模块数量使得发电器获得最大输出功率;沿程模块电压分布均匀度与空气参数相关,随着空气温度增加与流量减小,沿程电压均匀系数逐渐减小,沿程电压的不均匀性增加。针对传统平板型温差发电器效率低,温度分布不均匀等问题,构建了基于气液相变的温差发电系统。实验结果表明,与平板型温差发电器相比,当空气温度为200℃时,气液相变型温差发电器总输出功率提高了170.8%,阻力功耗减少了45%,沿程电压分布均匀性明显得到改善,电压均匀系数达0.987,提高了18%;对于新系统来说,增大空气温度与流量,可明显提高净输出功率,但对沿程电压分布均匀性影响不大,此外,新系统模块使用数量由20个减少到12个,输出功率变化较小,仅减少了0.57 W,这意味着气液相变型温差发电器可以优化模块数量以获得更好的经济性。构建了气液相变温差发电器的数学模型,将极值功率偏差最小化方法用于优化新系统的结构。结果表明,存在最佳模块面积可使新型系统的输出功率最大,且随着尾气流量的增加,最佳模块面积逐渐增加,但尾气温度的改变不影响最佳模块面积;极值功率偏差随模块面积的增加先减少后增加,存在最佳模块设计面积可使极值功率偏差最小,该模块面积能够使新系统在目标工况下获得的发电性能,尽可能接近可得到的最大输出性能;进一步确定了最佳模块设计面积与尾气换热器参数的拟合公式。所得结果可为气液相变型温差发电器的设计优化提供参考。