太阳能热电发电系统的优化研究

【摘要】：太阳能热电发电是除光伏发电外的另一种直接将太阳辐射转化为电能的方式,并且已经成为近几年来太阳能利用的新热点。本论文通过详细的理论分析和实验研究来优化太阳能热电发电系统。 首先,本文陈述了不同热电效应的基本原理及其相互关系,设计并制造了不同装置的样品,如具有不同表面轮廓的太阳能接收器、应用于热沉的水冷器,和空冷翅片型热沉的设计及优化等。基于扩散焦点方法(DFP),设计了具有高照度均匀度的菲涅尔聚光器并用蒙特卡洛光线追迹方法进行了模拟,模拟结果表明,相比于传统的设计方法,DFP方法能够显著地提高太阳能热接收器上的照度均匀度。 其次,本文对具有/不具有均匀温度分布的热电发电系统进行了对比。在模拟和试验过程中,对两个系统的输出电流、输出功率、开路电压和系统效率进行了对比,模拟和实验结果表明,保持热电发电系统的热接收器上表面温度均匀能够获得更好的输出。 此外,本文提出了一个完整的数学模型来揭示汤姆逊热和热接触电阻对太阳能热电发电系统的影响。模型的分析方程由冷热结点温度、冷热接点间的热导率、输出功率、最大输出功率、系统效率、系统最优效率、输出电压和输出电流等参数导出。基于此模型的一个工程实例表明,忽略汤姆逊热和界面间的热接触电阻将严重影响太阳能热电发电系统的输出。 最后,本文设计实验研究了太阳能热接收器的上表面轮廓对系统优化的影响。实验结果表明,当使用一个平顶的太阳能热接收器时,系统具有更优的输出性能。在理论研究之外,我们用数值模拟方法分析了长度、厚度、热电材料的横截面形状、外部连接负载、匹配负载以及品质因数对太阳能热电系统优化过程的影响。当匹配负载为RO=Re时,系统达到最大输出和最高系统效率,并且这一最大输出的数值主要决定于Th值。另外,我们发现双级太阳能热电发电系统比单级太阳能热电发电系统有更高的输出。 【关键词】：太阳能 太阳能热电 温度依赖型材料特性 系统优化 不均衡热力学
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• Table of Contents7-10
• Nomenclature10-15
• Authorization15-16
• Dedication16-17
• 1 Introduction17-26
• 1.1 Overview of the Study17-19
• 1.1.1 Background of the Present Research17-18
• 1.1.2 Applications of Solar Thermoelectric18-19
• 1.2 Literature Review19-23
• 1.3 Research Content23-25
• 1.4 Thesis Organization25-26
• 2 Thermoelectric Basics26-34
• Chapter Summary26
• 2.1 Thermoelectric Effects26-29
• 2.1.1 Seebeck Effect26-27
• 2.1.2 Peltier Effect27-28
• 2.1.3 Joule Effect28
• 2.1.4 Fourier Effect28
• 2.1.5 Thomson Effect28-29
• 2.2 Thermoelectric Materials29-33
• 2.3 Chapter Conclusion33-34
• 3 Auxiliaries of Solar Thermoelectric Power Generation System34-45
• Chapter Summary34
• 3.1 Solar Heat Receivet34-35
• 3.2 Solar Concentrator35-43
• 3.2.1 Concentrator Design35-38
• 3.2.2 Design of Fresnel Concentrator by Diffused Focus Method38-40
• 3.2.3 Nmerical Simulation to Validate Different Focusing Methods40-43
• 3.2.3.1 Simulation Results40-43
• 3.3 Heat Removal System43-44
• 3.3.1 Water Chamber Heat Removal System43-44
• 3.4 Chapter Conclusion44-45
• 4 Temperature Non-Uniformity on the Solar Heat Receiver45-65
• Chapter Summary45
• 4.1 Numerical Investigation45-60
• 4.1.1 Governing Equations of Thermoelectricity45-48
• 4.1.2 Finite Element Modeling48-49
• 4.1.3 Boundary Conditions49
• 4.1.4 Material Properties49-50
• 4.1.5 Mesh Independency50
• 4.1.6 Simulation Results50-60
• 4.2 Experimental Investigation60-63
• 4.3 Chapter Conclusion63-65
• 5 Thermal Contact Resistance and Thomson Heating Effects65-79
• Chapter Summary65
• 5.1 Schematic Diagram of the System65-66
• 5.2 Thermal Resistance Network66-68
• 5.3 Energy Equations68-71
• 5.4 Numerical Examples and Analysis71-78
• 5.5 Chapter Conclusion78-79
• 6 System Optimization79-102
• Chapter Summary79
• 6.1 Analytical Model79-84
• 6.2 Experimental and Simulation Results84-97
• 6.3 Double Stage Type Solar Thermoelectric Power Generation97-101
• 6.4 Chapter Conclusion101-102
• 7 Conclusions and Outlooks102-106
• 7.1 Conclusions102-104
• 7.2 Outlooks104-106
• Acknowledgements106-107
• Appendix A107-109
• Appendix B109-113
• References113-120
• The Publications120

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