【摘要】：全球能源與生態(tài)危機(jī)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(jī)等帶動發(fā)電機(jī)組發(fā)電,屬于太陽能高溫?zé)崂梅懂?另外一種形式,太陽能溫差發(fā)電是將太陽輻射能作為溫差發(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?zé)崂�。隨著對太陽能中溫?zé)崂玫男枨笤絹碓蕉嗉盁犭姴牧闲阅艿陌l(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(diǎn),這種發(fā)電方式的優(yōu)點(diǎn)是可以使用太陽光的全部光譜,裝置無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件,維護(hù)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(jì)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(jìn)行深入研究。(1)太陽光的能量密度較低,直接使用達(dá)不到溫差發(fā)電的熱源要求,因此可以通過對太陽能進(jìn)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(jì)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(diǎn)跟蹤控制等,完成太陽能向電能的轉(zhuǎn)換。(2)采用線聚焦的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?zé)嵩�。運(yùn)用Trace Pro光學(xué)軟件對聚光器模型進(jìn)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?shí)現(xiàn)有效的聚光集熱;光線吸收率和效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,光線垂直入射時整個集熱體光線吸收率達(dá)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(shí)際設(shè)備應(yīng)用時,聚光鏡會受到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(dá)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Trace Pro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(jì)算模型并設(shè)計(jì)補(bǔ)光方案,結(jié)果選擇兩塊平面式反光板組合進(jìn)行陰影區(qū)補(bǔ)償,并得到反光板最優(yōu)參數(shù),最后通過軟件仿真驗(yàn)證了補(bǔ)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(jì)基于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(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時采集,并將采集數(shù)據(jù)傳入PLC中進(jìn)行存儲并比較,最后由PLC輸出比較結(jié)果來控制步進(jìn)電機(jī),通過步進(jìn)電機(jī)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)電模塊組成的TEG進(jìn)行最大功率點(diǎn)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(diǎn)。運(yùn)用集中-分布混合式MPPT控制策略,每個TEM有一個獨(dú)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出端并聯(lián),輸出功率的最大點(diǎn)由TEM的集中單元和分布單元共同獲得。試驗(yàn)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(yùn)行30min內(nèi),有MPPT輸出功率平穩(wěn)且很快達(dá)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(jìn)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(jìn)行模擬和數(shù)值運(yùn)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(jì)。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(jìn)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(yàn)功率進(jìn)行對比,結(jié)果表明,試驗(yàn)值接近理論值,驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的正確性。(7)對聚光太陽能溫差發(fā)電裝置進(jìn)行試驗(yàn)分析�；谒涞难b置短時試驗(yàn)分析了冷卻水流量,負(fù)載變化,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(fù)載的變化趨勢基本相同,都是隨著負(fù)載的增加而增加,到達(dá)最大功率輸出點(diǎn)后開始平穩(wěn)下降;有MPPT下的輸出功率在裝置運(yùn)行12min時達(dá)到最大值30.2W,而沒有MPPT時在18min時達(dá)到最大輸出功率29.1W。全天測試結(jié)果顯示,裝置運(yùn)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4.1%�；诙咀匀伙L(fēng)冷試驗(yàn)主要測試風(fēng)速對系統(tǒng)性能的影響,以及驗(yàn)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(yàn)6小時發(fā)電量為340.2W·h。連續(xù)性試驗(yàn)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(yùn)用太陽能工程經(jīng)濟(jì),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(dá)式。結(jié)果表明,常規(guī)能源價格上漲對太陽能開發(fā)利用是個十分有利的積極因素。對太陽能光伏發(fā)電及溫差發(fā)電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析。太陽能電池轉(zhuǎn)換效率在短時間內(nèi)無法得到提高,溫差發(fā)電轉(zhuǎn)換效率低主要是受到熱電材料性能的限制,假如熱電材料優(yōu)值系數(shù)達(dá)到2,其轉(zhuǎn)換效率與光伏轉(zhuǎn)換效率相比具有一定競爭優(yōu)勢。迄今為止從熱力學(xué)基本定律出發(fā)所進(jìn)行的所有理論研究,還沒有發(fā)現(xiàn)熱電優(yōu)值系數(shù)存在上限,從長遠(yuǎn)來看,采用聚光器和高優(yōu)值系數(shù)的熱電材料組成的太陽能溫差發(fā)電裝置對于許多應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)上有競爭力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM913;TM615

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 李登;陳濤;萬勇平;黃彥;;自啟動太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)[J];物理實(shí)驗(yàn);2013年10期

2 祖俐;吳瓊;;淺析太陽能溫差發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用[J];有色冶金設(shè)計(jì)與研究;2010年02期

3 王長宏;林濤;林明標(biāo);鐘達(dá)亮;;太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)熱電性能的分析[J];廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2011年02期

4 ;[J];;年期

相關(guān)會議論文 前1條

1 顏軍;曾葆青;趙媛媛;;集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置的研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第7分冊）[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 梁秋艷;聚光太陽能溫差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及熱電性能機(jī)理研究[D];東北農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前8條

1 趙媛媛;集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置的研究[D];電子科技大學(xué);2010年

2 黃銀盛;太陽能溫差發(fā)電及傳熱特性研究[D];華南理工大學(xué);2011年

3 毛瑋;復(fù)合拋物面型太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[D];華南理工大學(xué);2013年

4 李旭;飛秒激光微納制備技術(shù)在太陽能溫差發(fā)電中的應(yīng)用研究[D];長春理工大學(xué);2016年

5 李海濤;小型太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D];黑龍江大學(xué);2015年

6 顏軍;太陽能溫差發(fā)電的研究[D];電子科技大學(xué);2011年

7 吳紅霞;平板型CPC太陽能溫差發(fā)電裝置的實(shí)驗(yàn)研究[D];華南理工大學(xué);2011年

8 宋琳;金屬表面微納結(jié)構(gòu)提高太陽能溫差發(fā)電功率的研究[D];長春理工大學(xué);2014年

，

本文編號：2440889