太阳能温差发电及传热特性研究

【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。倡导低碳经济运行,加大对新能源及绿色环保技术的开发利用已成为社会的强烈要求。太阳能作为可再生绿色能源,具有储量大、清洁环保、利用经济等优点,被普遍认为是理想的新能源。太阳能发电及相关技术研究是目前各国关注的焦点。温差发电是利用热电转换材料将热能直接转化为电能的一种能量转化技术,在利用太阳能等低品位热源上有着明显优势。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,基于温差发电技术的太阳能发电方式的研究则比较少。本文以温差发电理论及热传递机理为基础,采用理论分析、数学建模和实验测试相结合的方法,对一种新型太阳能温差发电系统的性能进行了研究。主要研究工作包括以下几个方面: 1、在对温差发电基本原理基础上,推导出温差发电的性能参数及其计算公式,探讨了影响温差发电性能的因素,分析了电偶臂的几何尺寸、接触效应、模块内阻对温差发电性能的影响机理,为太阳能温差发电的结构设计和优化提供理论依据。 2、搭建了温差发电的性能测试平台,通过实验对商用温差发电组件进行了测试,深入研究了单个温差发电组件的输出特性,并以此为基础对其串、并联的输出特性作了进一步探讨。实验结果表明,该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,当负载电阻接近发电器总内阻时可获得相应的最大输出功率。温差发电组件作为电源,其串、并联性能和普通直流电源的串、并联基本相同,为实现温差发电系统的大功率输出提供了有益的结论。 3、对于选定的温差发电组件,外部传热的不可逆性对温差发电系统的性能有显著的影响。本文根据传热学理论,采用热网络分析法对温差发电的传热特性进行了理论分析与实验研究。研究结果表明,温差发电组件冷端散热热阻是整个温差发电器的关键热阻,当热源热流量恒定,与空气自然对流相比,采用强制风冷和水冷散热方式能明显降低发电器冷端的热阻和温度,发电器的输出功率可提高20%~30%,随着热源热流量的增大,这种改善的效果越明显。 4、根据复合抛物面聚光器的光学原理,设计并搭建了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,结果表明该集热器集热温度均匀,集热板最高温度与最低温度之差不超过3℃。该温差发电装置的开路电压随着冷热端温差的增大而增大,当负载电阻与发电模块总内阻相匹配时输出功率最大。当热端平均温度基本稳定在80℃,冷却水流量为340 L/h时,当负载电阻接近130 ?时获得36个温差发电组件串联后的最大输出功率为7.1 W。 【关键词】：温差发电 传热特性 性能优化 太阳能利用 复合抛物面集热器
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM913
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 主要符号说明9-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 课题研究的背景和意义14-16
• 1.2 温差发电技术概述16-24
• 1.2.1 温差发电技术的发展历史16-17
• 1.2.2 温差发电技术的国内外研究现状17-19
• 1.2.3 温差发电技术的应用19-22
• 1.2.4 太阳能温差发电技术及其研究进展22-24
• 1.2.5 对研究进展和现状的分析评价24
• 1.3 本课题来源和主要研究内容24-25
• 1.3.1 课题来源24
• 1.3.2 主要研究内容24-25
• 1.3.3 创新之处和主要特色25
• 1.4 本章小结25-26
• 第二章 温差发电的基本原理及模型分析26-42
• 2.1 温差发电的基本效应26-29
• 2.1.1 塞贝克效应26-27
• 2.1.2 帕尔贴效应27-28
• 2.1.3 汤姆逊效应28
• 2.1.4 焦耳效应28-29
• 2.1.5 傅里叶效应29
• 2.1.6 热电效应的相互关系29
• 2.2 热电材料的优值系数29-31
• 2.3 温差发电器的结构及工作原理31-33
• 2.4 温差发电理想模型的主要性能参数33-36
• 2.4.1 温差发电器热传导方程34-35
• 2.4.2 温差发电器的输出功率和发电效率35-36
• 2.5 实际温差发电的性能分析36-40
• 2.5.1 温差电偶臂几何尺寸的影响36-38
• 2.5.2 接触效应的影响38-40
• 2.5.3 温差发电模块内阻的影响40
• 2.6 本章小结40-42
• 第三章 温差发电器性能实验研究42-52
• 3.1 引言42
• 3.2 测试平台的搭建42-47
• 3.2.1 实验装置的建立42-46
• 3.2.2 实验过程46-47
• 3.3 温差发电器性能实验结果与分析47-51
• 3.3.1 开路电压随温差的变化47-48
• 3.3.2 输出功率与内阻的特点48
• 3.3.3 串、并联对输出特性的影响48-51
• 3.4 本章小结51-52
• 第四章 温差发电器的传热特性分析52-61
• 4.1 引言52
• 4.2 温差发电传热特性理论分析52-55
• 4.3 实验结果分析55-60
• 4.3.1 空气自然对流散热时各温差随时间的变化55-57
• 4.3.2 空气自然对流散热时的热阻分布57-58
• 4.3.3 空气自然对流散热时散热器的性能58
• 4.3.4 不同散热方式对冷端散热效果的影响58-59
• 4.3.5 不同散热方式对输出功率的的影响59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第五章 太阳能温差发电装置的设计及实验研究61-75
• 5.1 引言61
• 5.2 太阳能温差发电集热装置设计及实验61-70
• 5.2.1 太阳能集热器及选型61-64
• 5.2.2 平面吸收体型CPC 聚光器的设计64-67
• 5.2.3 太阳能集热板（吸收器）及散热板67-68
• 5.2.4 温差发电模块的布置68-69
• 5.2.5 实验装置设计69-70
• 5.2.6 测试系统和实验过程70
• 5.3 实验结果与讨论70-74
• 5.3.1 聚光器性能测试71-72
• 5.3.2 太阳能温差发电器性能测试72-74
• 5.4 本章小结74-75
• 结论与展望75-78
• 结论75-76
• 展望76-78
• 参考文献78-84
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果84-85
• 致谢85-86
• 附件86

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