太阳能温差发电系统热电性能的分析

太 阳 能 温 差 发 电 系 统 热 电 性 能 的 分 析
王长宏 ， 林 涛 ， 明标 ， 达 亮 林 钟
（ 东 工 业 大 学 材 料 与 能 源 学 院 ， 东 广 州 ５ ００ ） 广 广 １０ ６
摘 要 ： 差 发 电技 术 是利 用 塞 贝 克 效 应 直 接 将 热 能 转 化 为 电 能 的 发 电技 术 ， 一 种 绿 色 环 保 的 发 电方 式 ． 文 对 半 温 是 本
质 吸收． 受热 的介 质 通 过输 热 回路把 热 量 传 到储 热 装置 中 ， 然后 再 由储 热 装置 的热 交换 器 中的热 工 质
通过输 热 回路 把 热 量传 送 到 温差 发 电模 块 的热端 ．
辅助 电源
ＭＰＴ Ｐ
路保电 广ｌ议 蠢群 Ｈ 及 蓑护路 ， 蕊
图 ２ 电 源控 制 电路
上就 是一个 交流 电流源 和电压源的并联． 通过控 制 并
影 响． 本文 阐述 了利 用 光一 热转 换 产 生 的低 温 热 资
源一 温差系 统 ， 对半 导 体 温差 发 电模 块 的实 际 传 热 模 型进行 了分 析 ， 热能转 化为 电能 （ 贝克效 应 ） 将 塞 的热 电性 能进行 讨论 ； 分析模 型 中的 内 、 热 阻分 布 外
太 阳能 温差发 电系统 由太 阳能集 热 系 统 、 源 热 循 环 系统 、 源 循 环 散 热 系 统 、 导 体 温差 发 电模 冷 半
块、 电源 控制 电路 、 载等 组成 ， 图 １太 阳辐射 能 负 见 ． 投 射到槽式 太 阳能 集 热器 上 ， 后 被集 热 器 中 的介 然
验测 定 ， 果 显示 该 材 料 的塞 贝 克 系 数 随温 度 下 降 结
而下 降 ， 不适合 低 温 区的温 差发 电． 温差 发 电器 的 在
其它 应用 方 面 ， 玉 兰 等 研究 了半 导体 发 电模 块 林 输 出电压 、 出功率 与冷 热温 度差 的关 系 ， 搭 建 了 输 并 半 导体 温差 发 电模块 产 生 的电能 作为 能量 的一 种锂 离 子 蓄 电池 充 电装 置． 着 微 电机 系 统 （ ＭＳ 等 随 ＭＥ ） 技 术 的引入 ， 差 电池 的 微 型 化也 成 为近 年来 温差 温
Ｃ ｅ ｉｇｎ等 ¨ ｈ ｎＬｎ ｅ 对 发 电器 与换 热 器 间 的传 热
国内外对 温差 发 电装置 的研 究 主要 集 中在 高优 值 系数热 电材 料 的 寻 找 与 开 发 、 块 设 计 制造 和 系 模 统优 化 、 用拓 展等 方 面． 应 由于 目前在 材料 方 面还 无
远 距离通 讯 与 导航 、 电 子 等特 殊 应 用 领 域 具 有 无 微
国外方 面 ， ｈｈ 把 温 差 发 电器 看 作 外 部 ＷｕＣ ｉ
和 内部 不可 逆 热机 进 行 分 析 ， 与 Ｃ ｍ ｔ 机 进 行 并 ａｏ热
可 替代 的地 位． 它甚 至 能利 用 人 的体 热 和 周 围的 环
第２ ８卷 第 ２ 期 ２ １ 年 ６月 ０１
广 东工 业大 学学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＧｕ ｎ ｄ ｎ ｉｅ ｓｔ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ａ ｇ ｏ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ ｙ
Ｖ １２ ． ｏ ． ８ Ｎｏ ２
Ｊｎ ０ ｌ ｕ ｅ２ １
电池 的一个 重要 发展 方 向 １ ７ ．
可靠 、 维修 少 、 可在极 端 恶劣 环境 下 长时 间工 作 的动 力 技术 ” 温 差 发 电技 术 利 用 热 电 转 换 材 料 直 接 将 ．
热 能转 化为 电能 ， 一种 全 固态 能量转 换 方式 ， 需 是 无
化 学反 应或 流体 介 质 ， 而 在 发 电过 程 中具 有 无 噪 因 音、 无磨 损 、 无介 质泄 漏 、 体积 小 、 重量 轻 、 移动 方便 、 使 用寿命 长 等 优 点 ， 军 用 电 池 、 程 空 间探 测 器 、 在 远
网电 流与 电网 电压 的相 位 同 步 ， 证 系 统输 出的 功 保 率 因数为 １同 时也 可通 过调整 并 网系统输 出 电流 的 ． 大 小及相 位来控 制 系统 的有 功输 出与无 功输 出．
温差 电能
Ｄ／ ＣＡＣ转换
情 况．
１ 太 阳 能温 差 发 电 系统 的 设 计
法取得 突破 ， 究 者 在 发 电模 块 的 优 化设 计 和应 用 研
方 面倾 注 了更 多 的 热情 ． 国内方 面 ， 陈金 灿 等 根
据非稳 态 热 力 学 理 论 推 导 了温 差 发 电器 的输 出 功 率 ； 析 了汤姆 逊 效 应 对 热 电 器件 输 出功 率 和 工 作 分
进行 了分 析 ， 出外 部 传 热 对 温差 发 电器 的工 作 性 指
能有 很大 影 响 ， 分 析 时 必 须 考 虑 ． ｕ ａｈｄ Ｒ Ｙ 在 Ｎ ｗ ｙｉ
等 … 利 用 目前 市 场 上 质量 较 好 的 Ｐ ｈｅ 模块 用作 ｅｉ ｒ 发 电模 块 ， 设计 了一 种 能 为 电力 供 应 不 稳 定地 区提 供 电能 的温差发 电装 置 ， 该装 置置 于火 炉顶 端 ， 利用
收 稿 日期 ： ０ １０ ・５ ２ １—２ ２
随着 能源供 需 矛 盾 的 日益 突 出 ， 不 危 害 环 境 在
基金项 目： 广东 省创新实验项 目（０ １２ ２ ） 国家科学青年基金 （ １０ ０ ４ ； ４ ２０ １８ ； ５ ０ ６ ２ ） 校博士启动基金 （０ ０ ５ ３ ） ４ ５９ ２ ７
导 体 温 差 发 电模 块 的 实 际 传 热 模 型及 温 差 发 电 系 统 的 热 电性 能 进 行 分 析 ． 索 温 差 发 电 系 统 达 到 较 优 性 能 时 与 各 探
相 关 参 数 的关 系 ， 以后 的深 入 研 究 提 供 有 价 值 的理 论 依 据 ． 为 关 键 词 ： 阳能 ； 太 温差 发 电 ； 热 分 析 ； 电 系 统 ； 导 体 发 电 传 发 半
系统 被视 为容量 为 无 穷大 的交 流 电压 源 ， 网逆 变 并
器 的输 出可 以控 制 为 电压 源 或 者 电流 源 ． 若控 制 并
网系统 输 出为一 个 交 流 电压 源 ， 则太 阳能 并 网系 统
实 际上是 两个 交 流 电压 源 的并 联 ． 保 证 系统 稳 定 要 运行 ， 则必 须 同时 严格 控 制 并 网 系统 输 出 电压 的 幅
能温差 发 电系统 与 电 网并 联． 当太 阳 能温差 发 电模
控 制器 （ Ｐ Ｔ 及 保护装 置 等． Ｍ Ｐ）
并 网逆 变器 具有将 发 电模 块发 出的直 流电转化 为 和 电网 电压 同频 、 同相交 流 电的功 能 ． 常 ， 电 通 市
提高 效率 ． 差发 电技术 具有较 多优点 ， 温 在低 品 位热
能利 用方 面具有 独 特 的优 势 和 良好 的应用 前 Baidu Nhomakorabea ， 应 大力 发展 ． 太 阳能 是一 种 清 洁 、 污 染 的能 源 ， 而 无 它 取之不 尽 ， 之不竭 ， 用 是包括 风能 、 潮汐 能 、 生物 质 能 等可再 生能源 中最 重 要 的基 本 能 源． 为可 利 用 的 作
境 温度 ， 为各 种 便携 式 设 备 供 电． ２ 在 １世 纪 全球 环
境 和能 源条 件恶 化 、 料 电池 又 难 以进 入 实 际 应 用 燃 的情 况下 ， 温差 发 电技 术 更 成 为 引 人 注 目的研 究 方
向 ．
对 比， 为进一 步 提 高 温 差 发 电器 转 化 效 率提 供 了理
长时 间发 电． 时美 国能 源 部 的 空 间 与 防御 动力 系 当 统 办公 室 给 出鉴 定 称 ， 温 差 发 电 已被 证 明 为 性 能 “
汤姆 逊热 对 发 电性 能 的 影 响 ： ＢＴ Ｓ Ｓ 对 ｉｅｂ ｅ半导 体 热
电材料 在低 温下 的塞 贝克 系数 随温度 变 化进 行 了实
作 者 简 介 ： 长 宏 （ ９ ０ ）男 ， 师 ， 要 研 究 方 向为 新 能 源 开 发 与 利 用 、 王 １８一， 讲 主 热工 过程 的 数 值 仿 真 ．
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广
东
工
业
大
学
学
报
第２ ８卷
的前提下 ， 如何 最 大 限度 地 提 高能 源 利用 效 率 已成 为世 界各 国普遍关 注 的问题 ． 目前 ， 国能源 的利用 我 率较 低 ， 迫切 需 要新 型 能 源利 用 技 术 以节 约 能 源和
中图 分 类 号 ： Ｋ １ Ｔ ５９ 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１０ —１２ ２ １ ）２ ０４ —４ ０ ７７ ６ （ ０ １ ０ —０ ７０
温差 发 电技 术 研究 始 于 ２ ０世 纪 ４ ０年 代 ， ２ 于 ０ 世纪 ６ ０年 代 达到高 峰 ， 并成 功地 在航 天 器上 实 现 了
能源 ， 阳能 主 要 有 光一 电 转 换 （ 电 ） 光 一化 学 太 发 、 转 换 （ 氢 ） 光一 热转 换 （ 利 用 ） 制 、 热 ３种 利 用 途 径 ． 而 温差发 电系统 的热 电性 能对 发 电效 率有着 重要 的
值 和相位 ． 由于 锁相 回路 响应较慢 、 出电压值 不 易 输 精确 控制 等原 因 ， 网 系统 和 电 网之 间 可能 会 出现 并 环流 ， 系统不 能稳定 运行 ， 甚至 会 发生故 障． 因此 ， 并 网系统常常被设计成 电流源系统 ， 样并 网系统实 际 这
其 产生 的余 热来 发 电 ， 并且 这 种 方 案 显 示 了比较 可 观 的经 济性 ．
效 应 的影 响 ， 调 汤 姆 逊效 应 在 实 际热 电循 环 中是 强
不能轻 易忽 视 的因 素 ， 磊等 刮从稳 态 导热 方程 出 贾 发， 对发 电 器件进 行 了热力 学 分析 ， 立 了半导 体 温 建 差 发 电器件 的 基本 模 型 ， 导 出发 电器 输 出功 率 和 推 发 电效率 的表达 式 ， 论 了传 统 分 析 中经 常 忽 略 的 讨
论 依据 ． ｕ ａｈｄＲ Ｙ利 用最 小 熵 产 法 分 析 了发 电 Ｎ ｗ ｙｉ
器 在外部 和 内部 可逆 与不 可逆 的几种 情 况下 的工 作
性 能 ， 与最 大功 率法 进行 比较 ， 析 了两种 方法 的 并 分 异 同． ｈ ｎＪ ｃｎ等 探 讨 了 多级 耦 合 的温 差 发 电 Ｃ ｅ ｉ ａ ｎ 器 的工 作 性 能 ， 到 了不 同 条 件 下 的 Ｅ ． 的 特 性 得 ＰＫ 曲线 ， 温差 发 电器 的优化设 计 提供 了依 据． 为
温差 发 电模 块 的冷端通 过散 热 回路 使冷端 维持 一定
的温度 ． 差发 电模块 的两端 有 了一 定 的温差 ， 温 从而
把热 能转换 为 电 能． 出的 电 能通 过 电源 控 制 电路 发
的一 系列变 换 ， 成交流 电压 ， 到 负载上 ． 转 接
Ｈｃ
热 端 接触 层 的 导 热 电 阻
图 １ 太 阳 能 温 差 发 电 系统
１ １ 电源控 制 电路 ． 为 了使太 阳能温差 发 电这 种发 电模 式大规 模地
尺 内部 热 导 阻 ．
应用 ， 应用 趋势 就是 由边 远 无 电地 区的独 立供 电模 式 向有 电地 区 的常 规并 网发 电方 向发展 ， 即将 太 阳
２ 太 阳能 温 差 发 电 系统 的性 能分 析
当模 块两端 由于出现温 差而 发 电时伴随 着热 传 递， 热传递 是温差 发 电 中一个 非常 重要 的过程 ， 发 对
电性 能 起着 关 键 的作 用 ， ３为 模块 发 电时 的实 际 图 传热模 型 ．
Ｒ 热 交 换 器 导热 电 阻