平板型CPC太阳能温差发电装置的实验研究

论文摘要

随着全球能源需求的不断增长,全球性的能源危机和环境恶化问题日益突出。开发利用新能源,积极寻找节能新技术是应对能源危机和环境压力的有效手段。温差发电技术绿色环保,特别是它不受温差限制的独特优势令越来越多的人看到了其在太阳能等低品位热源利用领域的潜力。太阳能作为可再生绿色能源,具有储量大、利用经济、清洁环保等优点,被普遍认为是理想的新能源。太阳能温差发电把太阳辐射热能直接转换为电能,具有无运动部件、无噪音、无磨损、无污染物排放、体积小、重量轻、可靠性高等特点,是绿色环保的发电方式。利用太阳能发电,人们的研究多集中于太阳能光伏发电和太阳能热发电,基于温差发电技术的太阳能温差发电方式的研究则比较少。本文以温差发电理论为基础,从解决太阳能存在的能量密度低、不连续性等缺点入手,首次建立平板型复合抛物面聚光集热(CPC)太阳能温差发电系统,采用理论分析、数学建模和实验测试相结合的方法,对此温差发电装置的性能进行了研究。主要研究工作包括以下几个方面: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分析模型,通过理论推导出太阳能温差发电的性能参数及其计算公式,探讨影响温差发电性能的因素,为太阳能温差发电的结构设计和优化提供理论依据。2、以热电基本理论为指导,设计搭建了温差发电系统工作性能测试平台。深入研究了单个温差发电组件的输出特性及冷端不同散热方式对其输出性能的影响。实验结果表明,温差发电组件的开路电压随着冷热端温差的增大近似呈线性增大趋势,在不同负载电阻R L下,发电组件的输出功率呈先增大后减小的趋势,最大输出功率的匹配负载值大于发电组件内阻值。当热源热流量恒定,与自然对流相比,采用强制风冷和水冷散热方式能明显降低发电组件冷端的温度,发电组件的输出功率可提高30 %~50 %,热源热流量越大,这种改善的效果越明显。3、对多组件温差发电器串、并联输出特性进行研究,结果表明,温差组件总数量一定时,并联连接组件数量增加后,提高了回路电流和系统最大输出功率,同时却降低了输出电压。对于四组件温差发电器而言,当外加负载小于11Ω时,组件两两串联再并联的输出电压最大,当外加负载大于11Ω时,四片串联的输出电压最大。当负载电阻大于2Ω且小于11Ω时,两两串联再并联的输出功率最大,在负载电阻为4Ω,温差为35℃时,输出功率可达0.45 W。当负载电阻大于11Ω时,四片串联的输出功率最大,在负载为20Ω,冷热端温差为35℃,输出功率可达0.42 W。4、根据复合抛物面聚光器(CPC)的光学原理,设计并搭建了平板型复合抛物面太阳能温差发电装置。对该装置的聚光性能与电输出性能进行了实验研究,结果表明该集热器具有一定的集热效果,最高集热温度为92℃。该温差发电装置的开路电压、输出功率随着冷热端温差的增大而增大,当冷热端温差基本稳定在50℃,冷却水流量为340 L/h时,负载电阻接近75. 6Ω时,36片温差发电模块串联后的最大输出功率为7.0 W,总开路电压为55.3 V。5、集热器保温可以提高集热效果。在CPC进口处覆盖上一层透过率较好的0.6 mm厚聚乙烯薄膜,既可以保护CPC反射面铝箔,也可以减少CPC槽内的热量对流损失。本论文通过对单片温差发电组件性能的研究,总结了输出功率、开路电压等发电性能参数随外加负载电阻、温度工况等因素的变化规律。通过对多组件温差发电器的研究,为实现温差发电系统的大功率输出提供了有益的结论。设计并搭建了平板型复合抛物面(CPC)太阳能温差发电装置,丰富了温差发电技术在太阳能利用领域的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 能源利用和环境现状
• 1.1.2 太阳能的利用现状
• 1.1.3 温差发电在太阳能利用中的前景
• 1.2 太阳能温差发电技术概述
• 1.2.1 温差发电技术的发展历史
• 1.2.2 太阳能温差发电技术的研究进展
• 1.2.3 对研究进展的分析评价
• 1.3 课题来源
• 1.4 主要研究内容及创新点
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 创新之处和主要特色
• 1.5 本章小结
• 第二章 太阳能温差发电的基本原理及模型分析
• 2.1 温差发电的基本理论
• 2.1.1 塞贝克效应
• 2.1.2 帕尔贴效应
• 2.1.3 汤姆逊效应
• 2.1.4 傅里叶效应
• 2.1.5 焦耳效应
• 2.1.6 热电效应的相互关系
• 2.2 温差发电的基本原理
• 2.3 太阳能温差发电装置的理论模型
• 2.3.1 温差发电器的主要性能参数
• 2.3.2 太阳能温差发电装置的理论模型
• 2.3.3 太阳能温差发电器的最佳匹配负载
• 2.4 本章小结
• 第三章 温差发电器工作性能的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 温差发电器性能测试
• 3.2.1 实验测试原理
• 3.2.2 实验平台设计
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 温差发电器性能实验结果与分析
• 3.3.1 输出功率随负载电阻的变化
• 3.3.2 开路电压随温差的变化
• 3.3.3 输出功率随温差的变化
• 3.4 冷端散热方式的优化研究
• 3.4.1 不同散热方式对冷端散热效果的影响
• 3.4.2 不同散热方式对输出功率的影响
• 3.4.3 不同散热方式对开路电压的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 多组件温差发电器输出特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验系统简介
• 4.3 发电系统的传热特性研究
• 4.3.1 加热片传热性能测试
• 4.3.2 各发电组件冷热端温度分布
• 4.4 组件串并联方式对发电器输出性能的影响
• 4.4.1 串并联方式对两组件温差发电器输出性能影响
• 4.4.2 串并联方式对三组件温差发电器输出性能影响
• 4.4.3 串并联方式对四组件温差发电器输出性能影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 平板型CPC 太阳能温差发电装置的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 平板型CPC 太阳能温差发电装置的设计及实验
• 5.2.1 CPC 集热器的设计
• 5.2.2 CPC 平板吸收器的设计
• 5.2.3 发电组件布置及其两端冷热源的实现
• 5.2.4 太阳能温差发电装置及实验测试系统
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 平板CPC 集热器性能测试
• 5.3.2 一天内输出功率、开路电压随时间的变化
• 5.3.3 输出性能参数随冷却水流的变化
• 5.3.4 集热器保温后发电装置输出性能的比较
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附表