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热液口是海洋与地壳之间物质和能量交换的窗口，海底热液活动带来了巨大的热通量和物质通量。深海高温喷口具有很高的能量密度，典型高温热液口的热通量可达到十兆瓦。热液流体的热能为深海热液长期实时观测、深海资源勘探与开发提供了一种新的能源供给方式，具有巨大的开发潜能。本文从热液能量捕获机理出发，提出了两种热液流体能量捕获方法:热管式热液能量捕获方法和导管式热液能量捕获方法，基于这两种热液能量捕获方法开展了热液温差能发电系统的传热模型建立、结构优化设计、性能分析及其相关试验研究。 本文首先对深海热液口潜在能量进行了评估。通过对不同的热液流体能量转化技术进行对比与评估，找出了一种适合用于海底热液系统的能量转换技术-热电技术。通过综合考虑热液口的地形拓扑结构和热液流体的物理特性，提出了两种热液流体能量捕获方法:热管式热液能量捕获方法和导管式热液能量捕获方法，对两种热液温差能捕获方法的能量捕获机理进行了分析研究。研究了半导体温差发电技术的基本原理。针对热液温差能发电系统的设计目标进行了温差发电器件选择，并对温差发电器件的关键性能参数进行了实验研究。 基于热管式热液能量捕获机理，首先研究了热管传热特性与热管特征参数、热液喷发速度以及热液中心温度的关系，基于分析结果对热管传热性能进行了优化，提出了一种特殊的低热阻热管结构;运用数学分析与试验相结合的方法对热管式热液温差能发电装置内部进行了低热阻优化设计，量化了腔体内壁镀银及腔体内部真空度对整个装置传热性能的影响;基于流-固-热仿真分析方法对热管式温差能发电装置进行了结构优化，进一步降低了温差发电器件冷端的温度。根据前面的研究结果，设计了热管式热液温差能发电装置，并开发了相应的电能管理系统和传感探测系统。基于温差发电器件的输出特性，对热管式热液温差能发电装置的输出特性进行了分析，研究了热管式热液温差能发电装置的最大输出功率与热液中心温度及其喷发速度的关系。 针对导管式能量捕获机理，首先分析了导管的传热性能与导管特征参数、热液喷发速度以及热液中心温度的关系。基于分析结果对导管传热性能进行了优化，提出了适合于热液口能量捕获的导管设计方法;基于流-固-热耦合仿真分析方法对导管式温差能发电装置与热液流体的相互作用进行了仿真，根据仿真结果对导管式温差能发电装置进行了结构优化，进一步提高了温差发电器件热端的温度。基于仿真分析结果设计了导管式温差能发电装置。引进功率/温度测试系统以保证内部温差发电器件为传感器提供持续稳定且可调的能量供给。对导管式热液温差能发电装置的输出特性进行了分析，获得了导管式热液温差能发电装置的最大输出功率与热液中心温度及其喷发速度的关系曲线。 为了验证系统的可靠性及在实际使用过程中的系统稳定性，对热管式温差能发电装置和导管式温差能发电装置进行了海试试验研究。试验结果表明:本论文提出的热液温差能发电装置适合于海底热液流体能量转化，具有极高的能量密度，能为海洋学调查研究提供可靠的能量供给，极大的拓展了海底长期实时观测系统的观测范围。