层叠型太阳能光伏—热电混合发电系统的研究

【摘要】：太阳能具有储量极其丰富、分布广泛、清洁、免费等优点，有望成为人类的终极能源。光伏发电可以将太阳能直接转换为电能，是利用太阳能的重要手段。然而目前光伏电池的效率较低，只能将小部分的太阳能转化为电能，其余部分的太阳能都变成了废热，提高太阳能发电的效率是太阳能发电领域最主要的研究方向。温差发电是一种利用热电材料的赛贝克效应把热能直接转化为电能的技术，具有无振动、无噪音、无磨损、无泄漏、体积小、重量轻、安全可靠寿命长和无污染等优点。层叠型太阳能光伏-热电（PV-TE）混合发电系统是把热电模块贴在太阳能光伏电池板的背面，在光伏发电的同时，热电模块可以将太阳能光伏发电过程中产生的废热转化为电能，从而提高了太阳能的发电效率。 本文首先对热电模块进行了多物理场数值模拟和实验研究。建立了热电模块的多物理场模型，对热电模块温差、输出电流对热电模块输出功率和效率的影响进行了数值计算；搭建了热电模块的性能测试平台，对热电模块进行了实验测试。并把部分数值计算结果与实验结果进行了比较，验证了所建多物理场模型的有效性。研究结果表明，热电模块的效率和功率都随其两端温差的增加而增大，效率与温差近乎符合线性关系，功率与温差近似符合抛物线关系；热电模块的输出电流对其的输出功率、效率以及热端吸收的热量产生很大的影响。增加热电模块两端温差是利用温差发电的关键。这些结论为PV-TE混合发电系统的设计提供了重要的指导。 其次对整体的PV-TE混合发电系统进行了数值模拟研究。根据模拟结果提出了以热电模块的陶瓷基板兼做光伏电池背板的新型结构的光伏-热电混合发电系统(记为PV1-TE)，并且研究了光照强度、空气温度、外界风速、冷端散热能力、热电模块输出电流、热电单元长度等对PV1-TE混合发电系统性能的影响。研究结果表明，与传统的PV-TE混合发电系统相比，PV1-TE混合发电系统中的光伏电池的温度降低，功率增加，并且热电模块的发电功率也明显增加。增加光照强度可以同时提高光伏和热电的发电功率；随着外界空气温度的增加，光伏电池的功率下降，热电模块的功率几乎不变；随着外界风速的增加，光伏电池的功率增加，热电模块的功率下降；随着冷端散热能力的增加，传统光伏发电系统、PV1-TE混合发电系统的光伏、热电以及PV1-TE混合发电系统的发电功率都不断增加，但是增长速率逐渐变小，最后趋于零；热电模块的输出电流不仅影响其本身的输出功率，也对光伏电池的发电功率也产生一定的影响；随着热电单元长度的增加，光伏电池的功率下降，热电模块的功率增加，PV1-TE混合发电系统总的功率变化根据热电材料的性能而定。利用高性能的热电材料，并且热电模块两端的温差为10K时，PV1-TE混合发电系统的功率将会比传统光伏电池的高出30%。 最后对PV1-TE混合发电系统进行了实验研究。制备了传统光伏电池以及PV1-TE混合发电系统的样机，并对它们的输出特性进行了对比研究，分析光照强度和冷却能力对于PV1-TE混合发电系统性能的影响，并与部分模拟结果进行了比较。实验结果表明，光照强度为160mW/cm2，并且冷却水温度为5℃时，PV1-TE混合发电系统的功率将会比传统光伏电池的高出5.37%。 综上所述，本文对层叠型PV-TE混合发电系统进行了较系统的研究。所得结论可以为该混合发电系统的设计与优化提高重要的指导。 【关键词】：层叠型 光伏 热电 混合发电 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-22
• 1.2.1 层叠型PV-TE混合发电系统的国内外研究现状12-18
• 1.2.2 新型热电材料的研究18-20
• 1.2.3 热电材料的应用简介20-22
• 1.3 本文研究内容22-25
• 第2章 理论基础25-35
• 2.1 传热学理论25-26
• 2.1.1 热传导25
• 2.1.2 热对流25-26
• 2.1.3 热辐射26
• 2.2 光伏发电26-29
• 2.2.1 硅太阳能电池结构26-27
• 2.2.2 光伏电池等效电路和伏安特性27-28
• 2.2.3 光伏电池温度特性28-29
• 2.3 温差发电理论29-33
• 2.3.1 赛贝克效应29-30
• 2.3.2 白尔贴效应30
• 2.3.3 汤姆逊效应30
• 2.3.4 开尔文关系式30
• 2.3.5 热电模块参数30-33
• 2.4 层叠型PV-TE混合发电系统的等效电路33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 热电模块的多物理场数值模拟与实验研究35-53
• 3.1 热电模块的多物理场数值模拟35-45
• 3.1.1 模型描述35-36
• 3.1.2 控制方程36-37
• 3.1.3 边界条件37-38
• 3.1.4 模拟结果分析及优化38-45
• 3.2 热电模块的实验研究45-50
• 3.2.1 实验平台46-48
• 3.2.2 实验结果与讨论48-50
• 3.3 本章小结50-53
• 第4章 混合发电系统的数值模拟及优化53-71
• 4.1 系统的数学模型53-59
• 4.1.1 太阳能光伏电池板的热模型53-57
• 4.1.2 热电模块两端的温度57
• 4.1.3 散热器底面与周围空气之间的热阻57-59
• 4.2 模拟结果分析59-69
• 4.2.1 光照强度对PV-TE混合发电系统的影响59-62
• 4.2.2 空气温度和风速对PV1-TE混合发电系统的影响62-64
• 4.2.3 PV1-TE冷端散热能力对PV1-TE混合发电系统的影响64-65
• 4.2.4 PV1-TE混合发电系统中热电模块的优化65-67
• 4.2.5 热电单元长度对PV1-TE混合发电系统中的影响67-69
• 4.3 本章小结69-71
• 第5章 混合发电系统的实验研究71-79
• 5.1 实验过程71-72
• 5.1.1 光伏电池的制备71-72
• 5.1.2 PV1-TE混合发电系统的制备72
• 5.1.3 样机的性能测试72
• 5.2 实验结果与讨论72-77
• 5.2.1 PV1-TE混合发电系统的输出特性72-74
• 5.2.2 光照强度对PV1-TE混合发电系统性能的影响74-75
• 5.2.3 冷却能力对PV1-TE混合发电系统性能的影响75-77
• 5.3 本章小结77-79
• 第6章 总结及展望79-81
• 6.1 论文总结79-80
• 6.2 下一步工作及展望80-81
• 参考文献81-87
• 作者简介及科研成果87-88
• 致谢88

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