收藏本站
《东北农业大学》 2016年
加入收藏

聚光太阳能温差发电关键技术及热电性能机理研究

梁秋艳  
【摘要】:全球能源与生态危机给人类的生存和发展带来威胁,使研究者更加倾向于可再生资源的开发与应用,得到最多关注的是清洁的太阳能。太阳能向电能转换的途径通常有两种,太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能光伏发电是利用太阳光照射在半导体材料上,利用其光生伏特效应,将太阳能转换为电能。太阳能热发电一种形式是利用太阳能聚光集热系统收集太阳能,加热工质,驱动大型蒸汽轮机等带动发电机组发电,属于太阳能高温热利用范畴;另外一种形式,太阳能温差发电是将太阳辐射能作为温差发电模块的热源,利用热电材料的塞贝克效应将太阳热能直接转化为电能,属于太阳能中温热利用。随着对太阳能中温热利用的需求越来越多及热电材料性能的发展,太阳能温差发电这种绿色环保的发电方式成为近年来的研究热点,这种发电方式的优点是可以使用太阳光的全部光谱,装置无机械转动部件,维护方便,不产生任何废弃物。本文将太阳能的聚光集热技术与半导体温差发电技术相结合,设计聚光太阳能温差发电装置,对装置中涉及的关键技术及热电耦合性能进行深入研究。(1)太阳光的能量密度较低,直接使用达不到温差发电的热源要求,因此可以通过对太阳能进行聚光来提高热源温度。将半导体温差发电技术和太阳能聚光集热技术结合起来设计聚光型太阳能温差发电装置,该装置主要包括太阳能聚光器、涂有太阳能选择性涂层的集热体、半导体温差发电模块(Thermoelectric Module,TEM)、冷却系统、太阳跟踪控制系统、最大功率点跟踪控制等,完成太阳能向电能的转换。(2)采用线聚焦的槽式抛物面镜聚光器,使入射的太阳光反射后聚集到位于焦线上、面积较小的集热体上形成焦面,使温差发电器热端获得高温热源。运用Trace Pro光学软件对聚光器模型进行光学仿真模拟。结果表明,槽式抛物面镜能够对太阳光实现有效的聚光集热;光线吸收率和效率统计结果表明,光线垂直入射时整个集热体光线吸收率达到98.20%,光学效率为78.68%,随着太阳光线偏差角度增大,光线吸收率及系统光学效率逐渐降低。(3)实际设备应用时,聚光镜会受到其上方集热体的遮挡,反射后集热体底部会存在阴影区,使集热体上的聚光效果达不到最佳,从而影响整体输出功率。建立阴影区数学模型,在Trace Pro光学软件中模拟光线不同偏差角下阴影区的变化规律,建立阴影区计算模型并设计补光方案,结果选择两块平面式反光板组合进行阴影区补偿,并得到反光板最优参数,最后通过软件仿真验证了补偿参数的正确性。(4)太阳的位置时刻在变化,只有使聚光装置始终接收太阳的垂直光线,才能提高太阳能的利用率。设计基于PLC控制的垂直-水平双转轴主动式跟踪方式,4个光照度传感器位于聚光镜的上下左右对称位置,对太阳光照强度进行实时采集,并将采集数据传入PLC中进行存储并比较,最后由PLC输出比较结果来控制步进电机,通过步进电机来控制减速传动装置,传动装置带动聚光镜转动自动跟踪太阳。软硬件调试结果表明,该太阳跟踪控制系统能够实现对太阳的有效跟踪,满足本装置对太阳能的需要。(5)要想使装置始终处于输出最大功率的状态,需要对本装置中由多个温差发电模块组成的TEG进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制。通过对比分析,选择电导增量法作为MPPT控制算法,在Matlab/Simulink仿真环境下建立MPPT电导增量法控制子模型,仿真波形表明,电导增量法能够快速有效的跟踪到系统的最大功率点。运用集中-分布混合式MPPT控制策略,每个TEM有一个独立的分布单元,10个TEM串联后有一个集中单元,最终各分布单元的输出端都与集中单元的输出端并联,输出功率的最大点由TEM的集中单元和分布单元共同获得。试验结果表明,MPPT控制系统有效的提高了本装置的输出功率及功率的稳定性,装置运行30min内,有MPPT输出功率平稳且很快达到最大值,平均输出功率比无MPPT时增加3.2W。(6)基于能量平衡与三维温度场模型对聚光太阳能温差发电装置热电性能进行分析。从能量平衡角度对装置的光热能量转换、热电能量转换、散热过程建立数学模型,在MATLAB环境下对能量转换方程进行模拟和数值运算,得出聚光比和太阳辐照度对系统性能的影响规律,数值模拟结论有助于优化装置设计。应用ANSYS有限元建立三维温度场模型,对单PN结热电耦合性能进行分析,得到热电单元温度场及电势场分布趋势,集热体表面能量分布与散热片上的温度场分布图,将不同温差下的输出功率与装置试验功率进行对比,结果表明,试验值接近理论值,验证试验结果的正确性。(7)对聚光太阳能温差发电装置进行试验分析。基于水冷的装置短时试验分析了冷却水流量,负载变化,及MPPT控制对装置性能的影响。结果表明,随着冷却水流量的增加,对流换热系数增大,导致温差发电器冷端温度降低;不同温差下输出功率随负载的变化趋势基本相同,都是随着负载的增加而增加,到达最大功率输出点后开始平稳下降;有MPPT下的输出功率在装置运行12min时达到最大值30.2W,而没有MPPT时在18min时达到最大输出功率29.1W。全天测试结果显示,装置运行8h发出电量222.4W·h,热电转换效率最大为5.4%,装置最大效率4.1%。基于冬季自然风冷试验主要测试风速对系统性能的影响,以及验证装置为日光温室供电的可行性。结果表明,随着风速的增加,集热体表面温度、TEG冷热端温度都降低;试验6小时发电量为340.2W·h。连续性试验结果显示,装置10天内总发电时间为52.01h,共发电2.74kW·h,装置可满足小型育苗温室中用电需求。(8)运用太阳能工程经济,从现值分析的角度出发获得太阳能装置的年收益表达式。结果表明,常规能源价格上涨对太阳能开发利用是个十分有利的积极因素。对太阳能光伏发电及温差发电转换效率进行分析。太阳能电池转换效率在短时间内无法得到提高,温差发电转换效率低主要是受到热电材料性能的限制,假如热电材料优值系数达到2,其转换效率与光伏转换效率相比具有一定竞争优势。迄今为止从热力学基本定律出发所进行的所有理论研究,还没有发现热电优值系数存在上限,从长远来看,采用聚光器和高优值系数的热电材料组成的太阳能温差发电装置对于许多应用在经济上有竞争力。
【关键词】:聚光集热 温差发电 太阳跟踪 最大功率点跟踪 热电耦合
【学位授予单位】:东北农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM913;TM615
【目录】:
  • 摘要12-14
  • 英文摘要14-18
  • 1 引言18-38
  • 1.1 研究背景与意义18
  • 1.2 热电效应18-21
  • 1.2.1 塞贝克效应19
  • 1.2.2 帕尔帖效应19-20
  • 1.2.3 汤姆逊效应20-21
  • 1.2.4 焦耳效应21
  • 1.2.5 傅立叶效应21
  • 1.3 热电材料21-24
  • 1.3.1 热电材料的性能参数22-23
  • 1.3.2 热电材料的研究进展23-24
  • 1.4 半导体温差发电技术24-30
  • 1.4.1 半导体温差发电的原理及特点24
  • 1.4.2 半导体温差发电主要性能参数24-26
  • 1.4.3 半导体温差发电技术的应用26-30
  • 1.5 太阳能温差发电技术30-36
  • 1.5.1 国外研究现状30-33
  • 1.5.2 国内研究现状33-35
  • 1.5.3 太阳能温差发电关键技术分析35-36
  • 1.6 研究内容和技术路线36-38
  • 1.6.1 主要研究内容36-37
  • 1.6.2 技术路线37-38
  • 2 聚光太阳能温差发电装置设计38-59
  • 2.1 聚光方式及原理分析38-39
  • 2.2 槽式抛物面聚光器39-40
  • 2.2.1 太阳圆面张角39-40
  • 2.2.2 槽式聚光器设计40
  • 2.3 温差发电系统设计40-44
  • 2.3.1 集热体41
  • 2.3.2 太阳能选择性吸收涂层41-43
  • 2.3.3 温差发电组件43-44
  • 2.4 冷却系统设计44-46
  • 2.4.1 热管工作原理44-45
  • 2.4.2 扁平热管45-46
  • 2.5 聚光太阳能温差发电装置整体设计46-48
  • 2.5.1 基于水冷的装置组成46-47
  • 2.5.2 基于风冷的装置组成47-48
  • 2.6 装置聚光性能仿真分析48-50
  • 2.6.1 TracePro仿真软件48-49
  • 2.6.2 聚光特性仿真分析49-50
  • 2.7 温差发电模块底部阴影区补光设计50-58
  • 2.7.1 阴影区数学模型建立50-52
  • 2.7.2 阴影区计算模型52-54
  • 2.7.3 阴影区补偿设计54-56
  • 2.7.4 阴影区补偿模拟验证56-58
  • 2.8 本章小结58-59
  • 3 基于PLC的太阳跟踪控制系统设计59-73
  • 3.1 太阳位置模型59-60
  • 3.2 太阳辐射计算模型60-61
  • 3.3 太阳跟踪方式研究61-63
  • 3.3.1 视日轨迹跟踪61-62
  • 3.3.2 光电自动跟踪62-63
  • 3.3.3 混合跟踪方法63
  • 3.3.4 本文的太阳跟踪方式63
  • 3.4 光照度传感器原理与调试63-65
  • 3.5 步进电机及驱动器65-66
  • 3.6 光控开关66
  • 3.7 基于PLC的控制流程软件设计66-70
  • 3.7.1 PLC的选择66-67
  • 3.7.2 编程软件67-68
  • 3.7.3 控制系统软件实现68-70
  • 3.8 控制系统调试试验70-72
  • 3.8.1 硬件调试70-71
  • 3.8.2 系统软件调试71-72
  • 3.9 本章小结72-73
  • 4 太阳能温差发电MPPT控制系统设计73-100
  • 4.1 温差发电MPPT控制原理73-74
  • 4.2 MPPT控制算法研究74-78
  • 4.2.1 智能控制算法74-75
  • 4.2.2 扰动观察法75-76
  • 4.2.3 滞环比较法76-77
  • 4.2.4 电导增量法77-78
  • 4.3 MPPT电导增量法仿真分析78-79
  • 4.4 温差发电MPPT控制策略研究79-83
  • 4.4.1 集中式MPPT控制策略80-81
  • 4.4.2 分布式MPPT控制策略81
  • 4.4.3 集中-分布混合式MPPT控制策略81-83
  • 4.5 集中与分布单元主电路设计83-96
  • 4.5.1 集中单元Buck变换器设计83-87
  • 4.5.2 分布单元反激变换器的设计87-96
  • 4.6 MPPT控制外围硬件设计96-99
  • 4.7 本章小结99-100
  • 5 太阳能温差发电装置热电性能分析100-117
  • 5.1 基本传热理论100-101
  • 5.1.1 热传导100
  • 5.1.2 热对流100-101
  • 5.1.3 热辐射101
  • 5.1.4 热阻101
  • 5.2 聚光太阳能温差发电装置热电分析与计算101-107
  • 5.2.1 计算模型102
  • 5.2.2 光热能量转换分析102-104
  • 5.2.3 基于水冷的热电能量转换分析104-105
  • 5.2.4 计算与分析105-107
  • 5.3 基于ANSYS的热电耦合性能分析107-112
  • 5.3.1 温差电单元数值模型分析107-108
  • 5.3.2 温差发电模块三维模型的建立及离散化108-110
  • 5.3.3 控制方程110
  • 5.3.4 边界条件110-111
  • 5.3.5 温度场建模111-112
  • 5.4 热电耦合仿真结果与分析112-116
  • 5.4.1 温度场与电势场分布112-114
  • 5.4.2 集热体表面热量分布114-115
  • 5.4.3 翅片散热器温度场分布115-116
  • 5.5 本章小结116-117
  • 6 装置性能试验117-127
  • 6.1 试验测试平台117-119
  • 6.2 夏季装置试验119-123
  • 6.2.1 试验方法119-120
  • 6.2.2 短时测试结果与分析120-122
  • 6.2.3 全天测试结果与分析122-123
  • 6.3 冬季装置试验123-126
  • 6.3.1 日光温室概况123
  • 6.3.2 测试方法123-124
  • 6.3.3 测试结果与分析124-126
  • 6.4 本章小结126-127
  • 7 太阳能温差发电经济与环境影响分析127-133
  • 7.1 太阳能工程经济127-129
  • 7.1.1 现值分析127
  • 7.1.2 太阳能装置的年收益127-129
  • 7.2 太阳能发电成本分析129-130
  • 7.2.1 太阳能光伏发电成本129
  • 7.2.2 太阳能温差发电成本129-130
  • 7.3 转换效率分析130-131
  • 7.3.1 太阳能光伏发电效率130-131
  • 7.3.2 太阳能温差发电效率131
  • 7.4 环境影响对比分析131-132
  • 7.5 本章小结132-133
  • 8 主要研究结论及创新点133-137
  • 8.1 主要研究结论133-136
  • 8.2 创新点136
  • 8.3 存在的不足与展望136-137
  • 致谢137-138
  • 参考文献138-149
  • 附录A149-154
  • 附录B154-155
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文155

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 李登;陈涛;万勇平;黄彦;;自启动太阳能温差发电系统[J];物理实验;2013年10期
2 祖俐;吴琼;;浅析太阳能温差发电技术及应用[J];有色冶金设计与研究;2010年02期
3 王长宏;林涛;林明标;钟达亮;;太阳能温差发电系统热电性能的分析[J];广东工业大学学报;2011年02期
4 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 颜军;曾葆青;赵媛媛;;集热式太阳能温差发电装置的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 梁秋艳;聚光太阳能温差发电关键技术及热电性能机理研究[D];东北农业大学;2016年
中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 赵媛媛;集热式太阳能温差发电装置的研究[D];电子科技大学;2010年
2 黄银盛;太阳能温差发电及传热特性研究[D];华南理工大学;2011年
3 毛玮;复合抛物面型太阳能温差发电系统的实验研究[D];华南理工大学;2013年
4 李旭;飞秒激光微纳制备技术在太阳能温差发电中的应用研究[D];长春理工大学;2016年
5 李海涛;小型太阳能温差发电系统的研究与设计[D];黑龙江大学;2015年
6 颜军;太阳能温差发电的研究[D];电子科技大学;2011年
7 吴红霞;平板型CPC太阳能温差发电装置的实验研究[D];华南理工大学;2011年
8 宋琳;金属表面微纳结构提高太阳能温差发电功率的研究[D];长春理工大学;2014年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026