王立舒，梁秋艷,2，楊鵬，張智文，徐子龍，那博宇

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱　150030；2.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯　154007）

基于風(fēng)冷聚光太陽能溫差發(fā)電裝置熱電耦合性能分析與試驗(yàn)

王立舒1，梁秋艷1,2，楊鵬1，張智文1，徐子龍1，那博宇1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030；2.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯154007）

為改變小型日光溫室常規(guī)供電方式，將太陽能聚光集熱技術(shù)與溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合，以太陽能作為熱源，北方冬季氣溫為冷源，設(shè)計聚光集熱太陽能溫差發(fā)電裝置。運(yùn)用TracePro光學(xué)軟件對裝置模型光學(xué)仿真模擬。結(jié)果表明，該裝置能達(dá)到聚光集熱目的，集熱板中心位置能流密度分布最高且均勻。建立熱電耦合平衡方程，采用有限元分析方法對單PN結(jié)及熱電模塊參數(shù)模擬分析，得到溫度場、電勢場分布趨勢圖，輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差變化曲線。搭建試驗(yàn)平臺，分析風(fēng)速對裝置參數(shù)影響，測試全天發(fā)電性能及連續(xù)發(fā)電性能。結(jié)果表明，隨風(fēng)速增加，集熱體溫度從378.5 K下降到327 K，熱端溫度從360.4 K下降到302.5 K，冷端溫度在風(fēng)速大于4 m·s-1后變化較明顯，從262.2 K下降到240 K；該裝置試驗(yàn)期間瞬時最大輸出功率為58.6 W，平均輸出功率為56.7 W，6 h發(fā)電量為340.2 W·h，熱電轉(zhuǎn)換效率為1.1%～4.3%；連續(xù)試驗(yàn)10 d總發(fā)電時間52.01 h，共發(fā)電2.74 kW·h，可滿足小型育苗溫室中育苗、照明及無線傳感器用電需求。

日光溫室；集熱；溫差發(fā)電；光學(xué)模擬；ANSYS；試驗(yàn)

網(wǎng)絡(luò)出版時間2016-7-21 14:10:30［URL］http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160721.1410.008.html

王立舒,梁秋艷,楊鵬,等.基于風(fēng)冷聚光太陽能溫差發(fā)電裝置熱電耦合性能分析與試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(7):82-91.

Wang Lishu,Liang Qiuyan,Yang Peng,et al.Electrothermal coupling performance analysis and test on concentration solar thermoelectric generation device based on air-cooled[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):82-91.(in Chinese with English abstract)

隨能源短缺與環(huán)境污染問題日益加劇，偏遠(yuǎn)地區(qū)存在生活用電困難問題，可再生能源開發(fā)與利用成為解決能源與環(huán)境問題主要手段［1-3］。在太陽能發(fā)電領(lǐng)域，目前較為成熟技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電，利用太陽光譜中波長較短光子使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，但是這種發(fā)電方式將大部分太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，工作溫度每升高1℃，光電轉(zhuǎn)換效率下降3%～5%［4-5］。將太陽能轉(zhuǎn)化為電能另一種形式是將太陽輻射產(chǎn)生熱能直接耦合到半導(dǎo)體熱電材料中，利用熱電材料塞貝克效應(yīng)將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，這種綠色環(huán)保發(fā)電方式稱為太陽能溫差發(fā)電［6］。這種太陽能發(fā)電方式可以使用太陽光全部光譜，發(fā)電裝置體積小、成本低、維修簡易，在微功耗用電及遠(yuǎn)距離供電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［7］。

太陽能溫差發(fā)電為太陽能熱發(fā)電開辟新途徑，可提高能源利用率。據(jù)法國調(diào)查公司Yole Development研究顯示，2012年全球太陽能電池生產(chǎn)力為33.75 GW，其中太陽能溫差發(fā)電占總量30%［8］，該技術(shù)在發(fā)達(dá)國家發(fā)展成熟，從航空與軍事應(yīng)用逐漸轉(zhuǎn)移到企業(yè)與民用。Maneewan等設(shè)計太陽能溫差發(fā)電屋頂，用銅板集熱器來吸收太陽輻射能與冷端形成溫度梯度，輸出功率為1.2 W·m-2，白天可帶動軸流風(fēng)機(jī)促進(jìn)室內(nèi)外空氣對流以降低室內(nèi)溫度，并可存儲供夜晚使用［9］。Hasebe等利用夏日路面高溫作熱源，附近河水作冷源設(shè)計太陽能溫差發(fā)電裝置，輸出功率3.6 W［10］。在國內(nèi)，太陽能溫差發(fā)電技術(shù)仍處于試驗(yàn)研究與工程示范階段。陳允成等設(shè)計一種小型太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有小焦距拋物柱組合式反射陣面聚光，冷端采用液氨循環(huán)散熱，輸出功率約為2 W［11］。朱冬生、張鴻聲等設(shè)計平板型太陽能溫差發(fā)電裝置，裝置最大輸出功率為7.1 W，總開路電壓55.3 V［12］。倪華良等分析建設(shè)太陽能溫差發(fā)電站成本與收益問題，得出可通過調(diào)節(jié)溫差電材料用量、導(dǎo)線總長、冷卻能耗等設(shè)計參數(shù)，使總成本最小；計算輸入功率對效率影響，當(dāng)平均效率為50%時，太陽能溫差發(fā)電站每平方公里每年發(fā)電量可達(dá)8.3×107KWh［13］。

該文通過太陽能聚光集熱技術(shù)提高太陽輻射能量密度作為熱源，設(shè)計聚光集熱太陽能溫差發(fā)電裝置。該裝置夏季使用扁平熱管連接溫差發(fā)電模塊冷端，冷卻水作為冷源，冬季則使用扁平熱管與散熱翅片連接冷端，利用北方冬季低溫自然風(fēng)作為冷源，建立溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過光學(xué)仿真軟件模擬裝置聚光性能，分析裝置工作特性。建立裝置數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用ANSYS有限元分析方法，通過仿真分析熱電模塊熱電耦合，獲得熱電模塊溫度場、電勢場分布規(guī)律，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其為溫室低功耗用電設(shè)備供電可行性。

1　裝置設(shè)計

1.1組成及工作原理

半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理是在半導(dǎo)體熱電模塊熱端與冷端存在溫度差情況下產(chǎn)生開路電壓，開路電壓隨溫度差增加而增大，在回路中加上負(fù)載電阻即有電能輸出［14］。

利用太陽能為溫差發(fā)電模塊提供熱源，北方冬季室外氣溫低，自然資源為溫差發(fā)電模塊提供冷源，設(shè)計聚光集熱型太陽能溫差發(fā)電裝置，改變?nèi)展鉁厥夜╇姺绞?。該裝置主要包括太陽能槽式拋物面反射聚光鏡、集熱體、溫差發(fā)電器（Thermoelectric generator，TEG）、扁平熱管、翅片散熱器及步進(jìn)電機(jī)，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)Fig.1Device structure

太陽光照射在槽式拋物面反射鏡上，反射后聚集到焦線位置，在焦線上由下至上放置集熱體、TEG和扁平熱管、翅片散熱器組成半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置。集熱體采用鋁合金材料制成，將吸熱面用粗砂紙簡單打磨處理后涂上太陽能選擇性涂層，提升光熱轉(zhuǎn)換效率，并在集熱體表面罩上透明玻璃減少空氣對流散熱損失。集熱體上放置TEG由40個型號相同熱電模塊（Thermoelectric module，TEM）20個串聯(lián)一組然后并聯(lián)組成，模塊性能參數(shù)為電偶臂對數(shù)127，開路電壓6.4 V，內(nèi)阻2.1 Ω，最大匹配功率3.1 W，最大耐高溫250℃，模塊寬度40 mm，模塊高度4 mm。熱電模塊兩面均勻涂上導(dǎo)熱性能良好硅脂，減少能量散失，使TEG熱端從集熱體吸收熱量，空隙處填滿石棉，減少熱端散熱。TEG冷端采用扁平熱管加熱傳導(dǎo)率較高鋁質(zhì)翅片散熱器散熱，扁平熱管蒸發(fā)段與TEG熱端相連，冷凝段與翅片散熱器相連。熱管兩端存在溫差時，蒸發(fā)段液體會迅速汽化，將熱量高速帶向冷凝段，兩端溫差越大，蒸發(fā)速度越快。在冷凝段凝結(jié)液化后，通過毛細(xì)作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)，不斷將熱量帶向低溫端，翅片散熱器利用北方冬季自然冷資源加大熱管兩端溫差，TEG冷熱端產(chǎn)生溫差輸出電能［15-18］。跟蹤太陽部分參照文獻(xiàn)［19］。

1.2TEG最大功率點(diǎn)跟蹤

該裝置TEG由40個同型號熱電模塊先串聯(lián)后并聯(lián)組成，受加工工藝和材料影響，同一型號不同模塊即使在相同溫差下，開路電壓和內(nèi)阻存在差異。將40個模塊組合在一起，由于熱流在空間上分布不均勻，到達(dá)各模塊熱端溫度存在差異，同時由于帕爾貼效應(yīng)影響，模塊溫度會隨輸出功率變化發(fā)生變化。以上因素導(dǎo)致每個熱電模塊輸出特性不同，多個模塊組合在一起時，無法使每個模塊均在最大功率輸出狀態(tài)工作，導(dǎo)致整體發(fā)電量降低。

單個熱電模塊（TEM）可等效為一個電壓源與內(nèi)阻串聯(lián)，如圖2a所示，冷熱端溫差穩(wěn)定不變時，開路電壓和內(nèi)阻固定不變，負(fù)載變化引起輸出功率發(fā)生變化。TEM開路電壓隨溫差增加而增大，不同溫差下模塊P-I特性曲線和V-I特性曲線如圖2b所示［20］。當(dāng)輸出電流I=Isc/2，輸出電壓V= Uoc/2時，輸出功率達(dá)到最大值，最大功率點(diǎn)對應(yīng)負(fù)載為最佳匹配電阻，此時內(nèi)阻與負(fù)載電阻相等，Rin=RL。但TEM內(nèi)阻通常會隨溫差變化而變化，導(dǎo)致內(nèi)阻與負(fù)載電阻不相等，無法保證每個模塊均在最大功率輸出狀態(tài)工作。

本裝置加入DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum power point tracking，MPPT）控制，控制原理如圖2c所示，控制系統(tǒng)對TEG輸出電壓、輸出電流采樣后，通過擾動觀察法MPPT控制器，控制器產(chǎn)生相應(yīng)調(diào)整量，經(jīng)脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)處理，轉(zhuǎn)換成能控制開關(guān)器件關(guān)斷占空比控制量D，驅(qū)動開關(guān)動作，通過改變D使TEG內(nèi)阻與負(fù)載電阻匹配，TEG保持輸出最大功率。

圖2　TEM等效電路及MPPT控制原理Fig.2TEM equivalent circuit and MPPT control schematic diagram

1.3裝置聚光性能分析

為驗(yàn)證本裝置聚光性能，運(yùn)用TracePro光學(xué)軟件對裝置模型作光學(xué)仿真模擬，設(shè)置反射表面形狀為拋物面，屬性為鏡面，接收面為平板，模擬光線波長為546 nm，設(shè)定入射太陽光線為20萬條，光線垂直入射，經(jīng)光線追跡后光路圖如圖3a所示，平板接收器能流分布如圖3b所示。

從圖3a可知，垂直入射到拋物面聚光器上光線經(jīng)反射后匯聚于焦線上，位于焦線位置平板接收器接收熱能提高，且接收器平面大部分區(qū)域能流分布均勻性較好，中心部分能流密度最大，邊緣部分有所衰減。說明本裝置可對太陽光實(shí)現(xiàn)有效聚光集熱，經(jīng)集熱體吸收后可作為溫差發(fā)電器熱源。

圖3　裝置光學(xué)模擬Fig.3Optical simulation diagram of device

2　模型建立

2.1熱電耦合控制方程

如圖4所示，當(dāng)有溫差作用于PN結(jié)兩端時，在不同半導(dǎo)體材料間及同一材料熱端和冷端間產(chǎn)生溫度梯度，熱電材料中載流子順溫度梯度移動，加負(fù)載閉合回路中產(chǎn)生電流，為典型熱能和電能耦合轉(zhuǎn)換過程，此過程伴隨帕爾帖、湯姆遜效應(yīng)、不可逆焦耳效應(yīng)及傅立葉效應(yīng)。

熱電耦合效應(yīng)是熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)之間一種可逆交叉耦合效應(yīng)，可運(yùn)用ANSYS有限元進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，熱流方程可表示為［21］：

式中，ρ為材料密度（kg·m-3）；c為材料比熱容（J·kg-1·℃-1）；T為物體瞬態(tài)溫度（℃）；t為過程進(jìn)行時間（s）；q→為熱通量矢量（W·m-2）；q˙為單位體積熱生成率（W·m-3）。

電荷連續(xù)性方程為：

式中，J→電流密度矢量（A·m-2）；D→為電通量密度矢量（C·m-2）。

以上兩個方程由以下兩個熱電方程耦合而來［22］：

式中，［α］為塞貝克系數(shù)矩陣（V/K）；［λ］為熱導(dǎo)率矩陣（W·mK-1）；［σ］為電導(dǎo)率矩陣（S·m-1）；E→為電場強(qiáng)度矢量（V·m-1），E→=-??（其中?為電位勢，V）。

電介質(zhì)方程表示為：

式中，［ε］為介電常數(shù)矩陣，F(xiàn)·m-1。

將方程（3）、（4）代入方程（1）、（2）中，則方程（1）、（2）可重新改寫為：

在穩(wěn)態(tài)模型中，假設(shè)所有組件材料性能具有等向性，則熱電耦合方程可簡化為：

2.2邊界條件

由圖4可知，TEG熱源依賴于太陽輻照強(qiáng)度，經(jīng)聚光后太陽能大部分被集熱體吸收，然后熱量依次流過TEG及熱管。冷端依靠翅片散熱器與空氣對流散熱，理想仿真中將冷端約束為熱力學(xué)第一類邊界條件，即溫度接近環(huán)境溫度，設(shè)為259 K。

聚光后集熱體表面輻射強(qiáng)度Qin為［23］：

式中，Qsolar為入射光輻射強(qiáng)度（W·m-2）；Copt為聚光器聚光比；ηopt為聚光器光學(xué)效率；ηa為集熱體下表面涂層對太陽輻射吸收率，0.95。

集熱體與環(huán)境間輻射熱損失表示為：

式中，ε為集熱體涂層對太陽輻射發(fā)射率0.08；δSB為玻爾茲曼輻射常數(shù)，5.67×10-8W·m-2·K-4；A為集熱體表面積（m2）；Tabs為集熱體下表面溫度（K）；Ta為環(huán)境溫度（K）。

集熱體與空氣間對流熱損失可表示為：

式中，hw為空氣對流換熱系數(shù)，由經(jīng)驗(yàn)公式hw=5.7+3.8vwind計算（其中vwind為風(fēng)速，m·s-1）。

2.3輸出特性

依據(jù)塞貝克理論，當(dāng)電偶臂兩端承受不同溫度時，產(chǎn)生溫差電動勢表示為［24］：

式中，αp，αn分別為p型和n型半導(dǎo)體材料塞貝克系數(shù)（V·K-1）；Th為熱端溫度（K）；Tc為冷端溫度（K）。

此電動勢由溫差發(fā)電模塊自身內(nèi)阻及外接負(fù)載電阻共同分配，因此溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓和回路電流可表示為：

式中，RT為內(nèi)阻（Ω）；RL為負(fù)載電阻（Ω）。

TEG輸出功率P即負(fù)載消耗功率：

熱電轉(zhuǎn)換效率表示為：

式中，Qin為輸入能量。

2.4熱電性能分析

本裝置使用熱電材料為碲化鉍，單個模塊由127對PN結(jié)構(gòu)成，以單個PN結(jié)耦合有限元熱力學(xué)分析為代表，分析單個PN結(jié)溫度場及電勢場變化規(guī)律，得出溫差模塊輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差變化規(guī)律。在ANSYS軟件中建立單個PN幾何模型參數(shù)如表1所示。

表1　單PN結(jié)尺寸參數(shù)Table 1Size parameters of single PN junction（mm）

選擇SOLID227、SOLID227熱電單元，通過Glue Volumes進(jìn)行橋式熱電模型粘合，最后在Mesh Volumes中選擇PickAll劃分網(wǎng)格，單PN結(jié)載荷如圖5所示，其中折線部分代表負(fù)載。

圖5　單PN結(jié)載荷Fig.5Loading of singlePNjunction

在熱端溫度為363 K（90℃），冷端溫度為259 K（-14℃），負(fù)載為0.004 Ω情況下，進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)熱電耦合分析，得到單PN結(jié)溫度場及電勢場分布如圖6、7所示，得到單PN結(jié)及單個熱電模塊輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差變化曲線如圖8、9所示。

圖6　單PN結(jié)模型溫度場分布Fig.6Temperature field of single PN junction

圖7　單PN結(jié)模型電勢場分布Fig.7Electric potential field of single PN junction

由圖6可知，熱端最高溫度為90℃，從熱端至冷端溫度逐漸減少，呈梯度變化。PN下部電勢最低取0，上部電勢最高為0.88 V，且整體呈梯度變化，由于熱電電動勢由溫差產(chǎn)生，電勢場和溫度場呈相同分布趨勢。

由圖8～9可知，單PN結(jié)和127對PN結(jié)組成熱電模塊，輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差加大而增加，符合理論分析，說明模型正確性。

圖8中輸出功率隨溫差變化過程中，單PN結(jié)在溫差大于60 K后增加趨勢明顯，而由127對PN結(jié)組成熱電模塊在溫差大于40 K后增加趨勢明顯。圖9中熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差變化過程同上。因此，同樣溫差下，由多PN結(jié)組成熱電模塊具有更好輸出特性。

圖8　輸出功率隨溫差變化曲線Fig.8Output power curves for different temperature difference

圖9　熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差變化曲線Fig.9Thermoelectric conversion efficiency curves for different temperature difference

3　裝置應(yīng)用及分析

3.1試驗(yàn)條件

本裝置在外界環(huán)境中太陽輻照度達(dá)到300 W· m-2及以上時即可通過太陽能聚光集熱技術(shù)聚集太陽能為溫差發(fā)電片提供熱源，理想工作風(fēng)速為1～10 m·s-1之間，理想工作溫度為25℃，每增加或減小15℃發(fā)電效率降低1%，說明環(huán)境溫度對發(fā)電效率影響并不明顯，最高降低約3%。夏季采用水冷、冬季采用風(fēng)冷，通過不同的散熱方式只要在溫差發(fā)電片兩端建立溫差后即可輸出電壓。

為分析本裝置冬季輸出性能，2015年12月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（N45°72'，E126°68'）設(shè)施園藝工程中心小型育苗溫室外搭建試驗(yàn)平臺。太陽能溫差發(fā)電在溫差發(fā)電片冷熱端建立溫差即可發(fā)電，對光照、溫度、風(fēng)速等因素?zé)o特定條件要求。哈爾濱冬季室外平均溫度為-14.2℃，嚴(yán)寒、自然風(fēng)可為翅片散熱器散熱提供便利條件，晴天時大氣透明度好，日照較充足可利用太陽能聚光集熱發(fā)電。試驗(yàn)溫室主要用于冬季茄子育苗，育苗專用燈功率為28 W，用于夜間照明T5型LED節(jié)能日光燈功率為3 W，低功耗無線傳感器功率0.05 W左右。

3.2試驗(yàn)內(nèi)容及測試方法

試驗(yàn)裝置中溫差發(fā)電模塊熱端采用槽式拋物面反射鏡聚光集熱，光孔900 mm，長1 220 mm，理論聚光比為15。冷端采用扁平熱管與翅片散熱器結(jié)合，自然風(fēng)冷散熱，扁平熱管蒸發(fā)段500 mm× 60 mm（長×寬），冷凝段100 mm×60 mm（長×寬），鋁材質(zhì)翅片散熱器350 mm×75mm×25 mm（長×寬×高）。裝置東西向放置，聚光鏡面朝向太陽安放于室外，聚光鏡面采用鏡面不銹鋼，支架為鋼質(zhì)，耐風(fēng)雪腐蝕，體積小易于安裝且維護(hù)方便。試驗(yàn)測量環(huán)境溫度、垂直于聚光鏡面太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)速等自然環(huán)境參數(shù)，K型貼片式熱電偶采集集熱體表面溫度、TEG熱端溫度等裝置關(guān)鍵參數(shù)。測量回路中，外加負(fù)載由變阻器實(shí)現(xiàn)，測量結(jié)果經(jīng)變送器后進(jìn)入NI USB6211數(shù)據(jù)采集卡，采集數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計算輸出功率、熱電轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電量等性能參數(shù)，試驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10　試驗(yàn)裝置Fig.10Test device

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1全天性能試驗(yàn)

哈爾濱2015年12月5日09:00～15:00實(shí)測垂直于聚光鏡面太陽輻照度及溫度變化曲線見圖11，太陽輻照度在548～1 287 W·m-2變化，環(huán)境溫度在257～262 K變化。裝置采用自然風(fēng)冷散熱，環(huán)境風(fēng)速是影響冷端溫度主要因素，最終影響溫差發(fā)電器兩端溫差及輸出性能。為分析環(huán)境風(fēng)速對裝置輸出性能影響，在輻照度及溫度均達(dá)最大值12～13 h時，用風(fēng)扇人工改變裝置周圍風(fēng)速，測量集熱體表面溫度、TEG熱端及冷端溫度隨風(fēng)速變化情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入plot繪圖工具，結(jié)果見圖12。

圖11　試驗(yàn)日太陽輻照度與環(huán)境溫度曲線Fig.11Variation of solar irradiation intensity and ambient temperature in test day

圖12　風(fēng)速對裝置溫度影響Fig.12Influence of wind speed on device temperature

由圖12可知，隨風(fēng)速增加，導(dǎo)致集熱體表面溫度、TEG冷熱端溫度均降低，集熱體溫度從378.5 K下降到327 K，熱端溫度從360.4 K下降到302.5 K，風(fēng)速增加，對流換熱系數(shù)加大，溫度相應(yīng)下降。同時，由于熱量從集熱體傳遞到TEG過程中對流熱損失及輻射熱損失存在，使到達(dá)TEG熱端溫度始終小于集熱體表面溫度，冷端溫度在風(fēng)速大于4 m·s-1后開始變化明顯，從262.2 K下降到240 K。裝置性能主要由輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率評價，輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨時間變化曲線如圖13所示。

由圖13可知，隨時間變化，裝置輸出功率和熱電轉(zhuǎn)換效率均先增后減，與太陽輻照度變化趨勢一致。試驗(yàn)過程中，TEG熱電轉(zhuǎn)換效率在1.1%～4.3%，轉(zhuǎn)化效率最大值發(fā)生在13:00，這一轉(zhuǎn)化效率在太陽能溫差發(fā)電裝置熱電轉(zhuǎn)換效率理論范圍內(nèi)［25］。13:00該裝置最大輸出功率58.6 W，試驗(yàn)6 h內(nèi)平均輸出功率為56.7 W，發(fā)電量為340.2 W·h。

3.3.2連續(xù)發(fā)電性能試驗(yàn)

選取2015年12月連續(xù)10d內(nèi)該裝置發(fā)電量數(shù)據(jù)分析，結(jié)果見表2。由表2可知，裝置10 d內(nèi)總發(fā)電時間為52.01 h，共發(fā)電2.74 kW·h，晴天時發(fā)電量最大可達(dá)0.36 kW·h，陰天最低發(fā)電量為0.09 kW·h。輸出功率經(jīng)逆變后直接供負(fù)載使用或存儲于鉛酸蓄電池中供夜間或陰雪天使用，裝置用于跟蹤太陽步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器功率為16.8 W，除太陽輻照度極低天氣，可滿足自身耗電及試驗(yàn)育苗溫室用電需求。隨著負(fù)載功率增加，裝置可以通過增加溫差發(fā)電模塊、改變模塊連接方式、調(diào)整最大功率點(diǎn)跟蹤方式、優(yōu)化溫差發(fā)電模塊熱端集熱和冷端散熱能力等措施增加輸出電能，自由靈活。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)設(shè)計要求及外電路電阻值，調(diào)整溫差發(fā)電模塊數(shù)量及組合模式，使裝置滿足不同場合，瞬時輸出功率可達(dá)幾百瓦，滿足中小電量需求。

圖13　輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率變化曲線Fig.13Output power and efficiency curves over time

表2　發(fā)電量統(tǒng)計Table 2Electric energy production statistics

4　結(jié)論

a.將槽式拋物面聚光集熱技術(shù)與溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合，使用太陽能作為熱源，利用北方冬季氣溫低自然優(yōu)勢作為冷源，設(shè)計聚光集熱太陽能溫差發(fā)電裝置。將裝置模型在TracePro光學(xué)軟件中作光學(xué)仿真模擬，結(jié)果表明本裝置能達(dá)到聚光集熱目的，集熱板中心位置能流密度分布最高且均勻。

b.對組成裝置核心熱電材料PN結(jié)電偶臂進(jìn)行ANSYS有限元分析，分析電勢場和溫度場分布趨勢；單PN結(jié)及熱電模塊輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率隨溫差加大而增加，單PN結(jié)在溫差大于60 K后增加趨勢明顯，而127對PN結(jié)組成熱電模塊在溫差大于40 K后增加趨勢明顯。

c.對小型育苗溫室搭建試驗(yàn)平臺，分析風(fēng)速對裝置性能影響，隨風(fēng)速增加，集熱體溫度從378.5 K下降到327 K，熱端溫度從360.4 K下降到302.5 K，冷端溫度在風(fēng)速大于4 m·s-1后開始變化較明顯，從262.2 K下降到240 K。全天試驗(yàn)期間裝置瞬時最大輸出功率為58.6 W，平均輸出功率為56.7 W，6 h發(fā)電量為340.2 W·h，TEG熱電轉(zhuǎn)換效率在1.1%～4.3%變化；連續(xù)試驗(yàn)10 d內(nèi)總發(fā)電時間52.01 h，共發(fā)電2.74 kW·h，晴天發(fā)電量最大可達(dá)0.36 kW·h，陰天最低發(fā)電量為0.09 kW·h，可滿足試驗(yàn)溫室中育苗、照明及無線傳感器用電需求。

d.太陽能溫差發(fā)電技術(shù)投資及使用費(fèi)用較低，為太陽能光伏發(fā)電1/3～1/5，發(fā)電成本是太陽能光伏發(fā)電1/10～1/20。本裝置屬于固態(tài)能量轉(zhuǎn)換過程，使用清潔無污染太陽能作為熱源，采用冬季自然冷資源降溫，成本低、使用壽命長、占地面積小、不存在大型機(jī)械轉(zhuǎn)動部件、不存在廢棄物、低碳環(huán)保，亦可為偏遠(yuǎn)少電地區(qū)或遠(yuǎn)程傳感器提供新供電方式。目前受熱電材料自身優(yōu)值系數(shù)影響，熱電材料熱電轉(zhuǎn)換率不高，同時受冬季太陽光照度限制發(fā)電量較少，但隨著裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新型熱電材料開發(fā)，太陽能溫差技術(shù)將在新能源發(fā)電領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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Electrothermal coupling performance analysis and test on concentration solar thermoelectric generation device based on air-cooled

WANG Li-shu1,LIANG Qiuyan1,2,YANG Peng1,ZHANG Zhiwen1,XU Zilong1,NA Boyu1
(1.School of Electrical and Information,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jia Musi,Heilongjiang 154007,China)

In order to change the conventional power supply way of small greenhouse,it has been combined concentrated solar thermal technology with thermoelectric generation technology to design a concentration solar thermoelectric generation device which adopts solar energy as heat source and the northern winter air as cold source.Simulation the device model in optics software of TracePro,the results showed that the designed device could concentrated solar better and the energy flux density on flat panel was uniform.A comprehensive electrothermal coupling equations had established to analysis the parameters of single PN junction by ANSYS,it got the distribution trend chart of temperature field and electric potential field,and the curves of output power,conversion efficiency changing with temperature.Building test platform to analysisthe effect of wind speed to device parameters,some tests research had done to test the whole day and continuous power generation performance.The results showed that the increases of wind speed making the temperature of heat collection plate dropped from 378.5 to 327 K,the temperature of hot side dropped from 360.4 to 302.5 K,the variation of cold side temperature obviously when the wind speed over 4 m·s-1, dropped from 262.2 to 240 K.Whole day tested for the device indicated that the instantaneous maximum output power was 58.6 W,running 6 h the average power was 56.7 W,and the electric quantity was 340.2 W·h.The thermoelectric conversion efficiency was between 1.1%-4.3%.Continuity test showed that the device generated electricity 52.01 h and the electric quantity was 2.74 kW·h in 10 days.The device can satisfy the needs of power supply of a small grow seedlings greenhouse,including grow seedlings lamp,LED lamp and some wireless sensor.

solar greenhouse;heat collection;thermoelectric generation;optical simulation;ANSYS; test

TM913

A

1005-9369（2016）07-0082-10

2016-03-14

黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目（12521038）

王立舒（1973-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏π履茉撮_發(fā)與利用。E-mail:wanglishu@neau.edu.cn