聚光太陽能溫差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及熱電性能機理研究.pdf

1、全球能源與生態(tài)危機給人類的生存和發(fā)展帶來威脅，使研究者更加傾向于可再生資源的開發(fā)與應(yīng)用，得到最多關(guān)注的是清潔的太陽能。太陽能向電能轉(zhuǎn)換的途徑通常有兩種，太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽光照射在半導(dǎo)體材料上，利用其光生伏特效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能熱發(fā)電一種形式是利用太陽能聚光集熱系統(tǒng)收集太陽能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動大型蒸汽輪機等帶動發(fā)電機組發(fā)電，屬于太陽能高溫熱利用范疇;另外一種形式，太陽能溫差發(fā)電是將太陽輻射能作

2、為溫差發(fā)電模塊的熱源，利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，屬于太陽能中溫熱利用。
　　隨著對太陽能中溫熱利用的需求越來越多及熱電材料性能的發(fā)展，太陽能溫差發(fā)電這種綠色環(huán)保的發(fā)電方式成為近年來的研究熱點，這種發(fā)電方式的優(yōu)點是可以使用太陽光的全部光譜，裝置無機械轉(zhuǎn)動部件，維護方便，不產(chǎn)生任何廢棄物。本文將太陽能的聚光集熱技術(shù)與半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計聚光太陽能溫差發(fā)電裝置，對裝置中涉及的關(guān)鍵技術(shù)及熱電耦合性能進行深

3、入研究。
　　(1)太陽光的能量密度較低，直接使用達不到溫差發(fā)電的熱源要求，因此可以通過對太陽能進行聚光來提高熱源溫度。將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)和太陽能聚光集熱技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計聚光型太陽能溫差發(fā)電裝置，該裝置主要包括太陽能聚光器、涂有太陽能選擇性涂層的集熱體、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊（Thermoelectric Module，TEM）、冷卻系統(tǒng)、太陽跟蹤控制系統(tǒng)、最大功率點跟蹤控制等，完成太陽能向電能的轉(zhuǎn)換。
　　(2)采用線聚焦的

4、槽式拋物面鏡聚光器，使入射的太陽光反射后聚集到位于焦線上、面積較小的集熱體上形成焦面，使溫差發(fā)電器熱端獲得高溫熱源。運用TracePro光學(xué)軟件對聚光器模型進行光學(xué)仿真模擬。結(jié)果表明，槽式拋物面鏡能夠?qū)μ柟鈱崿F(xiàn)有效的聚光集熱;光線吸收率和效率統(tǒng)計結(jié)果表明，光線垂直入射時整個集熱體光線吸收率達到98.20％，光學(xué)效率為78.68％，隨著太陽光線偏差角度增大，光線吸收率及系統(tǒng)光學(xué)效率逐漸降低。
　　(3)實際設(shè)備應(yīng)用時，聚光鏡會受到

5、其上方集熱體的遮擋，反射后集熱體底部會存在陰影區(qū)，使集熱體上的聚光效果達不到最佳，從而影響整體輸出功率。建立陰影區(qū)數(shù)學(xué)模型，在TracePro光學(xué)軟件中模擬光線不同偏差角下陰影區(qū)的變化規(guī)律，建立陰影區(qū)計算模型并設(shè)計補光方案，結(jié)果選擇兩塊平面式反光板組合進行陰影區(qū)補償，并得到反光板最優(yōu)參數(shù)，最后通過軟件仿真驗證了補償參數(shù)的正確性。
　　(4)太陽的位置時刻在變化，只有使聚光裝置始終接收太陽的垂直光線，才能提高太陽能的利用率。設(shè)計基于

6、PLC控制的垂直-水平雙轉(zhuǎn)軸主動式跟蹤方式，4個光照度傳感器位于聚光鏡的上下左右對稱位置，對太陽光照強度進行實時采集，并將采集數(shù)據(jù)傳入PLC中進行存儲并比較，最后由PLC輸出比較結(jié)果來控制步進電機，通過步進電機來控制減速傳動裝置，傳動裝置帶動聚光鏡轉(zhuǎn)動自動跟蹤太陽。軟硬件調(diào)試結(jié)果表明，該太陽跟蹤控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽的有效跟蹤，滿足本裝置對太陽能的需要。
　　(5)要想使裝置始終處于輸出最大功率的狀態(tài)，需要對本裝置中由多個溫差發(fā)電

7、模塊組成的TEG進行最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制。通過對比分析，選擇電導(dǎo)增量法作為MPPT控制算法，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立MPPT電導(dǎo)增量法控制子模型，仿真波形表明，電導(dǎo)增量法能夠快速有效的跟蹤到系統(tǒng)的最大功率點。運用集中-分布混合式MPPT控制策略，每個TEM有一個獨立的分布單元，10個TEM串聯(lián)后有一個集中單元，最終各分布單元的輸出端都與集中單元的輸

8、出端并聯(lián)，輸出功率的最大點由TEM的集中單元和分布單元共同獲得。試驗結(jié)果表明，MPPT控制系統(tǒng)有效的提高了本裝置的輸出功率及功率的穩(wěn)定性，裝置運行30min內(nèi)，有MPPT輸出功率平穩(wěn)且很快達到最大值，平均輸出功率比無MPPT時增加3.2W。
　　(6)基于能量平衡與三維溫度場模型對聚光太陽能溫差發(fā)電裝置熱電性能進行分析。從能量平衡角度對裝置的光熱能量轉(zhuǎn)換、熱電能量轉(zhuǎn)換、散熱過程建立數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下對能量轉(zhuǎn)換方程進行模

9、擬和數(shù)值運算，得出聚光比和太陽輻照度對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)論有助于優(yōu)化裝置設(shè)計。應(yīng)用ANSYS有限元建立三維溫度場模型，對單PN結(jié)熱電耦合性能進行分析，得到熱電單元溫度場及電勢場分布趨勢，集熱體表面能量分布與散熱片上的溫度場分布圖，將不同溫差下的輸出功率與裝置試驗功率進行對比，結(jié)果表明，試驗值接近理論值，驗證試驗結(jié)果的正確性。
　　(7)對聚光太陽能溫差發(fā)電裝置進行試驗分析?；谒涞难b置短時試驗分析了冷卻水流量，負載變

10、化，及MPPT控制對裝置性能的影響。結(jié)果表明，隨著冷卻水流量的增加，對流換熱系數(shù)增大，導(dǎo)致溫差發(fā)電器冷端溫度降低;不同溫差下輸出功率隨負載的變化趨勢基本相同，都是隨著負載的增加而增加，到達最大功率輸出點后開始平穩(wěn)下降;有MPPT下的輸出功率在裝置運行12min時達到最大值30.2W，而沒有MPPT時在18min時達到最大輸出功率29.1W。全天測試結(jié)果顯示，裝置運行8h發(fā)出電量222.4W·h，熱電轉(zhuǎn)換效率最大為5.4％，裝置最大效率4

11、.1％?；诙咀匀伙L(fēng)冷試驗主要測試風(fēng)速對系統(tǒng)性能的影響，以及驗證裝置為日光溫室供電的可行性。結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加，集熱體表面溫度、TEG冷熱端溫度都降低;試驗6小時發(fā)電量為340.2W·h。連續(xù)性試驗結(jié)果顯示，裝置10天內(nèi)總發(fā)電時間為52.01h，共發(fā)電2.74kW·h，裝置可滿足小型育苗溫室中用電需求。
　　(8)運用太陽能工程經(jīng)濟，從現(xiàn)值分析的角度出發(fā)獲得太陽能裝置的年收益表達式。結(jié)果表明，常規(guī)能源價格上漲對太陽能開發(fā)利