温差发电芯片在太阳能热发电系统中的实验研究

【摘要】：能源是人类赖以生存的物质基础，是人类社会发展的动力，随着社会经济的高速发展及工业化的进程，能源的消耗也是与日俱增，同时环境问题也日益严重，开发利用新能源，加大对低品位能源的利用是应对能源危机的有效手段。太阳能作为一种可再生清洁能源，具有无限、普遍、经济及清洁无污染性等优点，是未来的理想能源，如何高效太阳能是一大科学热点。 太阳能温差发电是利用温差发电装置来进行热电转换，装置本体没有运动部件，具有寿命长、小型化、适应性强及成本低等优点，并且能够根据场合的需求调整温差发电系统。本文以温差发电的基本理论为基础，采用理论分析、数值模拟及实验研究相结合的方式，对温差发电芯片在太阳能热发电系统中的应用进行研究。主要研究工作包括： 1、在温差发电基本原理的基础上，建立太阳能温差发电系统的理想模型，通过理论推导出太阳能温差发电的性能参数，分析影响各个参数的因素，为太阳能温差发电的结构优化设计提供理论依据。 2、设计搭建温差发电系统工作性能测试平台。对四种温差发电组件的可靠性进行研究，选择性能最好的温差发电组件进行后续实验研究，考察其输出特性及冷端散热方式对它的影响。实验结果表明，与自然对流相对比，采用强制风冷、25℃水冷及冰水混合冷却能够明显的降低发电组件冷端温度，因此发电组件的输出功率可提高30%~80%，热源温度越高，这种改善效果越明显。 3、对多组件温差发电器的串并联输出特性进行研究，结果表明，一定温差下，两片串联和三片串联时的开路电压会略低于理论值，当温差发电组件数量一定，随着并联组件的增加，回路中电流和系统输出功率会提高，而输出电压会降低。因此，需要根据场合的需要和设计要求来调节温差发电组件的串联数和并联数及组合模式，使温差发电系统最优化。 4、根据光学原理及复合抛物面聚光器的形成原理，对复合抛物面聚光器设计方法、性能参数进行了深入研究，并利用trace_pro软件对其进行光学模拟，分析了不同入射角下接收面的光辐照强度及分布情况，对比不同截短比下的聚光器的性能，实验表明截短1/3的聚光器的性价比最好。 5、结合温差发电组件的特点及复合抛物面聚光器的原理，设计并搭建复合抛物面太阳能温差发电系统，研究该系统的聚光性能和电输出性能，结果表明复合抛物面聚光集热器具有一定的集热效果，最高集热温度可以达到92℃。系统的开路电压和输出功率均随着冷热端温差的增加而变大，当热端温度约为80℃、冷端温度约为30℃，导热油流量为1200L/h，冷却水流量为340L/h时，温差发电系统的性能基本达到最佳，36片温差发电芯片串联后的开路电压为55.3V，负载电阻为75.6Ω时，输出功率可达到7.2W。 【关键词】：温差发电 太阳能利用 复合抛物面聚光器 性能优化 光学仿真
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM913;TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 主要符号说明9-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 课题研究的背景和意义14-15
• 1.2 太阳能温差发电技术概述15-20
• 1.2.1 温差发电技术的发展历史15-18
• 1.2.2 温差发电技术的应用18-20
• 1.3 温差发电技术的国内外研究现状20-22
• 1.4 太阳能温差发电技术研究进展22-25
• 1.5 对研究进展和现状的分析评价25-26
• 1.6 本课题来源和主要研究内容26-27
• 1.6.1 课题来源26
• 1.6.2 主要研究内容26-27
• 1.6.3 创新之处和主要特色27
• 1.7 本章小结27-28
• 第二章 太阳能温差发电的理论分析28-43
• 2.1 温差发电的基本理论28-33
• 2.1.1 塞贝克效应28-30
• 2.1.2 帕尔贴效应30-31
• 2.1.3 汤姆逊效应31-32
• 2.1.4 傅里叶效应32
• 2.1.5 焦耳效应32-33
• 2.2 热电材料的优值系数33-34
• 2.3 温差发电器的结构及基本原理34-35
• 2.4 太阳能温差发电装置的理论模型35-42
• 2.4.1 温差发电器的主要性能参数35-38
• 2.4.2 太阳能温差发电装置的理想理论模型38-41
• 2.3.3 太阳能温差发电器的最佳匹配负载41-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第三章 温差发电器工作性能研究43-54
• 3.1 实验目的与实验原理43-44
• 3.1.1 实验目的43
• 3.1.2 实验原理43-44
• 3.2 实验平台搭建与测试方法44-48
• 3.2.1 实验平台搭建44-47
• 3.2.2 实验测试方法47-48
• 3.3 温差发电器的工作性能实验研究结果与分析48-51
• 3.3.1 可靠性研究48-49
• 3.3.2 输出功率随负载电阻的变化49-50
• 3.3.4 输出功率随冷热端温差的变化50-51
• 3.4 组件冷端散热方式的优化研究51-53
• 3.4.1 不同散热方式对冷端温度的影响51-52
• 3.4.2 不同散热方式对开路电压的影响52
• 3.4.3 不同散热方式对输出功率的影响52-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 多组件温差发电器输出特性研究54-62
• 4.1 引言54
• 4.2 实验系统简介54-55
• 4.3 温差发电系统的特性研究55-56
• 4.3.1 各发电组件冷热端温度随加热功率的变化55-56
• 4.4 各组件串并联方式发电系统输出性能的影响56-60
• 4.4.1 串并联对两组件温差发电系统输出性能的影响56-58
• 4.4.2 串并联对三组件温差发电系统输出性能的影响58-59
• 4.4.3 串并联对四组件温差发电系统输出性能的影响59-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 CPC 太阳能聚光器的模拟优化62-75
• 5.1 前言62
• 5.2 聚光器的分类62-63
• 5.3 复合抛物面聚光器的设计63-67
• 5.4 复合抛物面聚光器的仿真模拟67-74
• 5.5 本章小结74-75
• 第六章 CPC 太阳能温差发电装置的设计及实验研究75-85
• 6.1 引言75
• 6.2 平板型 CPC 太阳能温差发电装置的设计及实验75-80
• 6.2.1 CPC 集热器的设计76
• 6.2.2 太阳能集热板及散热板76-78
• 6.2.3 温差发电模块的布置及其两端换热系统的布置78-79
• 6.2.4 太阳能温差发电装置及实验过程79-80
• 6.3 实验结果与讨论80-84
• 6.3.1 平板型 CPC 集热器的性能测试80-81
• 6.3.2 不同倾角对集热板面上的温度影响81
• 6.3.3 一天内开路电压、输出功率随时间的变化81-82
• 6.3.4 太阳能温差发电系统的性能测试82-84
• 6.3.4.1 温差发电系统的输出性能随冷却水流量的变化82-83
• 6.3.4.2 温差发电系统的输出性能随循环导热油的流量的变化83-84
• 6.4 本章小结84-85
• 结论与展望85-88
• 结论85-86
• 展望86-88
• 参考文献88-93
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果93-94
• 致谢94-95
• 附件95

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