【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(yáng)能。太陽(yáng)能向電能轉(zhuǎn)換的途徑通常有兩種,太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體材料上,利用其光生伏特效應(yīng),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能熱發(fā)電一種形式是利用太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)收集太陽(yáng)能,加熱工質(zhì),驅(qū)動(dòng)大型蒸汽輪機(jī)等帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電,屬于太陽(yáng)能高溫?zé)崂梅懂?另外一種形式,太陽(yáng)能溫差發(fā)電是將太陽(yáng)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(yáng)熱能直接轉(zhuǎn)化為電能,屬于太陽(yáng)能中溫?zé)崂�。隨著對(duì)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光的全部光譜,裝置無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件,維護(hù)方便,不產(chǎn)生任何廢棄物。本文將太陽(yáng)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(yáng)能溫差發(fā)電裝置,對(duì)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(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(yáng)能聚光集熱技術(shù)結(jié)合起來設(shè)計(jì)聚光型太陽(yáng)能溫差發(fā)電裝置,該裝置主要包括太陽(yáng)能聚光器、涂有太陽(yáng)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(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)、最大功率點(diǎn)跟蹤控制等,完成太陽(yáng)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(yáng)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(duì)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?yáng)光實(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(shí)整個(gè)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(yáng)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(shí),聚光鏡會(huì)受到其上方集熱體的遮擋,反射后集熱體底部會(huì)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(yáng)的位置時(shí)刻在變化,只有使聚光裝置始終接收太陽(yáng)的垂直光線,才能提高太陽(yáng)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(dòng)式跟蹤方式,4個(gè)光照度傳感器位于聚光鏡的上下左右對(duì)稱位置,對(duì)太陽(yáng)光照強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,并將采集數(shù)據(jù)傳入PLC中進(jìn)行存儲(chǔ)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(dòng)裝置,傳動(dòng)裝置帶動(dòng)聚光鏡轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。軟硬件調(diào)試結(jié)果表明,該太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的有效跟蹤,滿足本裝置對(duì)太陽(yáng)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(duì)本裝置中由多個(gè)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(duì)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(gè)TEM有一個(gè)獨(dú)立的分布單元,10個(gè)TEM串聯(lián)后有一個(gè)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(shí)增加3.2W。(6)基于能量平衡與三維溫度場(chǎng)模型對(duì)聚光太陽(yáng)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(duì)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(duì)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(yáng)輻照度對(duì)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(chǎng)模型,對(duì)單PN結(jié)熱電耦合性能進(jìn)行分析,得到熱電單元溫度場(chǎng)及電勢(shì)場(chǎng)分布趨勢(shì),集熱體表面能量分布與散熱片上的溫度場(chǎng)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(duì)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(duì)聚光太陽(yáng)能溫差發(fā)電裝置進(jìn)行試驗(yàn)分析�；谒涞难b置短時(shí)試驗(yàn)分析了冷卻水流量,負(fù)載變化,及MPPT控制對(duì)裝置性能的影響。結(jié)果表明,隨著冷卻水流量的增加,對(duì)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(shì)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(shí)達(dá)到最大值30.2W,而沒有MPPT時(shí)在18min時(shí)達(dá)到最大輸出功率29.1W。全天測(cè)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(cè)試風(fēng)速對(duì)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(shí)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(shí)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(yáng)能工程經(jīng)濟(jì),從現(xiàn)值分析的角度出發(fā)獲得太陽(yáng)能裝置的年收益表達(dá)式。結(jié)果表明,常規(guī)能源價(jià)格上漲對(duì)太陽(yáng)能開發(fā)利用是個(gè)十分有利的積極因素。對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電及溫差發(fā)電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析。太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率在短時(shí)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)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(yáng)能溫差發(fā)電裝置對(duì)于許多應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM913;TM615

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本文編號(hào)：2440889