复合抛物面型太阳能温差发电系统的实验研究

【摘要】：随着全球能源需求的不断增长以及环境的日益恶劣，迫切需要在清洁能源和可再生能源等领域取得突破性进展。太阳能是最理想的可再生能源，具有廉价、资源丰富、清洁和无污染等优点。太阳能温差发电技术作为太阳能利用的重要方向之一，也越来越受到人们的重视。太阳能温差发电在利用太阳能等低品位热源上具有显著优势，且温差发电具有无运动部件、无噪音、无污染物排放、使用寿命长、小型化、成本低等优点。 本文以温差发电的基本理论为基础，采用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的方法，设计并搭建平板型复合抛物面聚光集热太阳能温差发电系统，对该系统的电输出性能进行了相关研究。主要研究工作包括以下几个方面： 1、以温差发电基本理论为基础，建立温差发电系统的理论模型，研究影响温差发电性能的主要因素及计算公式，为太阳能温差发电的结构设计和系统优化提供理论支持。 2、设计搭建了单组件温差发电器性能测试平台，实验结果表明，随着温差发电组件冷热端温差的增大，开路电压和输出功率也随之增大。当加热片加热功率较大时，冷端散热方式的影响开始明显。加热功率70W时，与自然对流相比，采用强制风冷、22℃水冷以及冰水混合物冷却时，其开路电压分别提高12.5%、27%、43.41%，输出功率分别提高24.72%、46.79%、85.47%。 3、研究多组件温差发电器在不同串并联连接方式下的输出特性，实验结果显示，多组件温差发电器输出性能较为复杂，不是单组件的简单叠加。当组件数量一定时，并联数量的增加可以提高回路中的电流，降低开路电压和内阻。 4、通过TracePro光学软件模拟不同聚光比及其截短时复合抛物面聚光集热器的光学性能，由模拟结果可知，6倍聚光时接收面上光照强度分布极不均匀，2.9倍聚光及其截短后光照强度分布较均匀，截短2/3后降低显著。2倍聚光的聚光器与2.9倍聚光器情况类似。上述9种情况，从性价比考虑，2.9倍聚光且截短1/3是性价比最高的选择。 5、本平板型复合抛物面聚光集热器可将空晒温度从环境温度升高到93℃，集热板表面覆盖一层聚碳酸酯透明隔热板和玻璃盖板的效果较好。同样条件下，36片组件串联时温差发电装置的开路电压最大可达35V，两组18片串联再并联时开路电压最大为27V。 【关键词】：太阳能温差发电 复合抛物面聚光集热器 TracePro模拟 性能优化
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM913
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 主要符号说明8-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 课题研究的背景和意义13-15
• 1.2 温差发电技术概述15-22
• 1.2.1 温差发电技术的发展历史15-16
• 1.2.2 温差发电技术的应用16-21
• 1.2.2.1 航空航天与军事领域17-18
• 1.2.2.2 低品位热源利用领域18-19
• 1.2.2.3 化石燃料热源和自然热热源等利用领域19-21
• 1.2.3 温差发电技术的国内外研究进展及现状21-22
• 1.3 太阳能温差发电技术概述及研究进展22-25
• 1.4 对研究进展及现状的分析评价25-26
• 1.5 本课题来源和主要研究内容26-27
• 1.5.1 本课题来源26
• 1.5.2 主要研究内容26-27
• 1.5.3 创新之处和主要特色27
• 1.6 本章小结27-28
• 第二章 太阳能温差发电的基本理论及模型分析28-42
• 2.1 温差发电的基本效应28-31
• 2.1.1 塞贝克效应28-29
• 2.1.2 帕尔贴效应29-30
• 2.1.3 汤姆逊效应30
• 2.1.4 傅里叶效应30-31
• 2.1.5 焦耳效应31
• 2.1.6 热电效应的相互关系31
• 2.2 温差发电器的结构及基本原理31-33
• 2.3 太阳能温差发电装置的模型分析33-41
• 2.3.1 热电材料的优值系数33-35
• 2.3.2 温差发电模型的主要性能参数35-38
• 2.3.3 温差发电传热特性分析38-39
• 2.3.4 温差发电器的优化设计39-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第三章 温差发电器性能研究42-51
• 3.1 引言42
• 3.2 实验平台搭建与实验方法42-46
• 3.2.1 实验原理42-43
• 3.2.2 实验装置的搭建43-45
• 3.2.3 实验方法45-46
• 3.3 温差发电器性能实验分析46-48
• 3.3.1 输出功率随负载电阻的变化46-47
• 3.3.2 开路电压随温差电变化47
• 3.3.3 输出功率随温差的变化47
• 3.3.4 热电转换效率随温差的变化47-48
• 3.4 冷端散热方式的实验研究48-50
• 3.4.1 不同散热方式对开路电压的影响48-49
• 3.4.2 不同散热方式对输出功率的影响49-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第四章 多组件温差发电器的输出特性研究51-59
• 4.1 引言51
• 4.2 多组件实验平台搭建51-52
• 4.3 各组件传热特性研究52-53
• 4.4 多组件不同串并联方式对温差发电器输出特性的影响53-57
• 4.4.1 串并联方式对两组件发电器输出特性的影响53-54
• 4.4.2 串并联方式对三组件发电器输出特性的影响54-56
• 4.4.3 串并联方式对四组件发电器输出特性的影响56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第五章 复合抛物面太阳能聚光器的模拟优化59-72
• 5.1 太阳能集热器简介59-62
• 5.2 平板型复合抛物面聚光器的设计62-63
• 5.3 复合抛物面聚光器的模拟优化63-70
• 5.3.1 模拟方案63-64
• 5.3.2 模拟结果及分析64-70
• 5.4 本章小结70-72
• 第六章 CPC 太阳能温差发电装置的设计及其实验研究72-84
• 6.1 引言72
• 6.2 复合抛物面型太阳能温差发电装置的设计及其实验72-76
• 6.2.1 平板型复合抛物面聚光器的设计72-73
• 6.2.2 太阳能平板吸收器及散热板的设计73-75
• 6.2.3 太阳能温差发电实验平台的搭建及实验过程75-76
• 6.3 实验结果与讨论76-82
• 6.3.1 平板型 CPC 集热器的性能测试76-78
• 6.3.2 开路电压、输出功率与时间的变化关系78
• 6.3.3 太阳能温差发电装置的性能测试78-82
• 6.3.3.1 输出功率随负载电阻的变化78-79
• 6.3.3.2 输出性能随导热油流量的变化79-80
• 6.3.3.3 输出性能随冷却水流量的变化80-81
• 6.3.3.4 输出性能随集热板保温情况的变化81-82
• 6.3.3.5 输出性能随温差发电组件连接方式的变化82
• 6.4 本章小结82-84
• 结论和展望84-86
• 参考文献86-91
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果91-92
• 致谢92-93
• 附件93

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