摘 要

本文选题设计主要是为了面对日益加剧的环境问题与资源短缺问题，将太阳能集热与温差发电技术相结合，设计一个简单的太阳能温差发电系统。通过使用集热装置对热量进行收集，与冷端形成相对温差，从而产生电动势，实现热电转换的功能。

论文将设计的系统分为温差发电模块与太阳能集热模块两部分，对两部分分别进行研究。对温差发电模块进行了理论的分析与研究，阐述了几种对温差发电产生主要作用的热电效应，根据相应的公式推导出了影响温差发电效果的主要因素，确定在实际应用时改善发电效率及提高输出功率的方法。对于太阳能集热装置的分析，使用了TracePro 软件对其进行仿真，通过光线追迹与辐照度分析图对各种情况进行分析，根据实物大小设计了相应的复合抛物面聚光器（CPC）。

研究结果表明：温差发电模块的好坏取决于冷热端的相对温差以及构造时使用的热电材料的热电优值，其值越高能够产生的电动势输出就越高。负载电阻的大小与输出功率有直接关系，匹配系数等于1时，整个系统能够提供最大输出。

本文特色：搭建的系统结构简单、尺寸较小，在阳光直射的条件下能够产生电动势的输出。

关键词：太阳能；温差发电；聚光器

Abstract

This article selected topic design mainly in order to face the increasing environmental problems and resource shortage, combining solar heating and temperature difference power generation technology, design a simple solar thermoelectric power generation system. The heat is absorbed by the heat-collecting device, and the temperature difference is formed with the cold end, resulting in the electromotive force.

The paper mainly studies the two parts of thermoelectric power generation and solar collector. The temperature difference generator module for the analysis and study of theories, expounds several main effect of thermoelectric effect of temperature difference electricity generation, according to the corresponding formula is deduced the main factors influencing the effect of temperature, determining in the practical application way to improve efficiency and increase the output power. For the analysis of the solar heating device, using TracePro software for simulation, by ray tracing and irradiance analysis diagram to analyze situations, and according to the physical size of CPC concentrator is designed.

The research results show that the temperature difference generator module is good or bad depends on the relative temperature difference and cold and hot side of thermoelectric materials used in construction thermoelectric optimal value, the higher value to produce the electromotive force of the higher output. The load resistance is directly related to the output power, and the whole system can provide the maximum output when the matching coefficient is equal to 1.

This article features: the system structure is simple and small, and can produce the output of electromotive force in the condition of direct sunlight.

Key Words: Solar energy; thermoelectric generation; concentrator

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 主要研究内容 2

第2章 温差发电理论分析 3

2.1 热电效应 3

2.1.1 塞贝克效应 3

2.1.2 帕尔贴效应 4

2.1.3 汤姆逊效应 4

2.1.4 焦耳效应 5

2.1.5 傅里叶效应 5

2.2 热电优值 5

2.3 温差发电原理 5

2.4 温差发电的性能参数 7

2.4.1 发电效率 7

2.4.2 输出功率 7

第3章 聚光器仿真与模拟 9

3.1 复合抛物面聚光器 9

3.2 CPC的设计 9

3.3 CPC的模拟仿真 10

3.3.1 模型设置与建立 10

3.3.2 光线追迹图与辐照度分析 11

3.3.3 截取比 15

第4章 小型太阳能温差发电装置的设计 18

4.1 太阳能集热装置 18

4.2 系统搭建 19

4.3 系统测试与分析 21

4.4 系统改善及优化 21

第5章 结论 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着时代的快速发展，人与自然的矛盾愈来愈凸显出来，其最明显的体现便是环境的恶化与资源的短缺。开发绿色能源以及相关技术将会是解决这些问题的最有效的途径。我国是人口大国，同时也是能源消耗大国，需要使用大量电力来维持人们的正常生活。目前我国生产的电能主要来自于火力发电，其发电量约占我国发电总量的60%。而对于火力发电，不得不面对的一个问题就是煤炭的使用。煤炭在燃烧的过程中会产生或者释放大量有害气体以及粉尘，一方面它会加剧煤炭资源的短缺与匮乏，另一方面会加剧环境的污染，造成温室效应，酸雨等环境危害。近些年来，我国煤炭年使用量达40亿吨，煤炭产量占世界总产量的35%以上，位于世界前列。由此可见发展绿色能源以及相应技术将是至关重要的。太阳能正是一种理想的绿色能源，它具有经济、无污染、持续可无限利用等特点^[1]。若能有效的使用太阳能，将能够有效解决能源短缺、环境污染等问题。

传统太阳能发电有着造价高、生产过程易产生污染、占地面积大、照射的能量分布密度小等缺点，它只有在电量需求大的场合才能有较好的收益。因此，将近些年来人们所关注的温差发电技术与太阳能相结合，构造出的太阳能温差发电系统将会具有广阔的发展前景。

1.2 国内外发展现状

目前，太阳能温差发电主要存在几个问题，这几个问题也是太阳能温差发电未被广泛投入使用的主要原因。一是它的发电效率较低，与传统的光伏发电相比还有较大差距^[2]；二是其发电机理会导致机械损伤，温差发电时冷热端的较大温差会带来热胀冷缩的现象，该现象会在温差电偶上产生机械应力，从而导致太阳能温差发电设备的使用寿命不长。

在20世纪初，Coblentz研制了第一台太阳能温差发电装置，当时整个系统由于热电材料性质较差其热电转换效率并不高^[3]。到了20世纪五十年代，M.Telkes 研发出最大温差可达247 ℃的太阳能温差发电机，其转换效率能够达到3.35%。在19世纪八十年代，美国新墨西哥州立大学设计了一种通过可自动跟踪太阳的反射式镜面将太阳辐射聚焦到与热电元件紧贴的集热器上的太阳能温差发电器^[4]，进一步提高了太阳能温差发电器的转换效率。2004 年，Maneewan 等人利用屋顶太阳能集热器和温差发电模块组成的系统产生电，从而使太阳能温差发电技术逐步走向实际生活^[5]。目前，我国太阳能温差发电技术的发展与国外相比还比较落后，主要还是在研究与实验阶段，不足以投入实际使用。在广大的市场需求与政策支持下，我国有越来越多的学者对温差发电技术展开了研究。我国学者宋启鹏等人将太阳能热水器与温差发电相结合，得到了使用太阳能进行驱动的半导体温差发电装置，并提出了太阳能温差发电并网的思路^[6]。华南理工大学针对太阳能发电不能全天候发电的缺点，提出了太阳能温差连续发电的技术，它通过采用半导体温差发电系统与相变储能系统相结合的方法，形成高效且有效的太阳能连续温差发电储能系统，由此可实现昼夜连续发电^[7]。我国张清杰教授与日本科学家新野正之合作，将基于光伏电池的太阳能光电转换技术与基于热电材料的太阳能热电转换技术相结合，提出了光电复合发电的新技术，开辟了利用太阳能全光谱发电的新途径。

1.3 主要研究内容

本文主要是为了设计一个小型的太阳能温差发电系统，此系统主要由温差发电模块与太阳能集热装置两部分构成。首先，将对温差发电模块进行分析，确定能对温差发电性能产生影响的相关理论因素，分析如何能够使温差发电的发电效果有所提升；其次，通过软件进行仿真，设计一个太阳能集热装置，并对其进行分析及优化，研究它对太阳能的利用能力；最后搭建一个简易的太阳能温差发电装置，该装置最终能够实现利用太阳能进行温差发电，产生一定电动势输出，并对此进行研究以及分析。

第2章 温差发电理论分析

2.1 热电效应

热电效应是温差发电技术的理论基础，它通过导体中的载流子受热移动产生电荷堆积从而实现热电转换。基本热电效应有塞贝克效应、帕尔贴效应以及汤姆逊效应^[8]。这三种效应均是可逆热电转换效应，同时它们也是研究热电效应工作的基础。此外，还存在着傅里叶效应与焦耳效应两种不可逆热电转换效应。

2.1.1 塞贝克效应

1821年德国科学家塞贝克在做电磁回路实验时发现了塞贝克效应^[9]。实验时，他将指南针放在两种不同金属构成的闭合回路附近，当给某一端金属加热后，放在回路周围的指南针就会发生偏转，这说明了在给金属加热后，闭合回路附近有磁场产生，从而证明回路中由于金属受热产生了电动势。产生的这个现象被称为塞贝克效应。

图2.1 塞贝克效应示意图

图2.1为塞贝克效应的示意图，当a点与b点温度不同时，即与不等时，在c、d两点之间会产生电动势，其大小与金属结点处的温差成正比。其定义式如式（2.1）。

(2.1)

式中，分别为a，b点绝对温度，单位为K。为塞贝克系数，单位为V/K，塞贝克系数的值为:

(2.2)

的大小仅与组成热电偶的材料和两端温度有关；存在正负之分，一般规定，在冷端如果电流方向由a到b则为正，反之则为负。

2.1.2 帕尔贴效应

1834年法国物理学家帕尔贴观察到，当有电流通过两种不同金属构成的回路时，金属接头则会产生温度变化。当电流从某一方向流回节点时，节点温度降低；当电流从反方向流动时，节点温度升高^[10]。这种现象正好与赛贝克效应相反，被称为帕尔贴效应。

图2.2 帕尔贴效应示意

帕尔贴效应图如图2.2所示，当两种导体构成的回路中有电流流过时，结点会发生温度的改变，出现放热与吸热的现象。当电流由a流向b时，上升，下降；当电流由b流向a时温度的变化相反。结点处产生的热量与外接电流大小成正比，即：

(2.3)

式中为结点处热量，单位为W。是帕尔贴系数，单位为W/A。为外加回路电流，单位为A。

2.1.3 汤姆逊效应

1856年，汤姆逊对以上所说的两种效应进行全面分析，将本来不相干的两个效应联系了起来。他发现，在电流流过存在温度梯度的导体时，导体会和周围环境进行能量交换，其大小和电流密度与温度梯度的乘积成正比。其关系如式（2.4）。

(2.4)

式中为导体的吸热/放热率，单位为W。是汤姆逊系数，单位为V/K。是温度梯度，单位为K/m。一般在热电分析中，汤姆逊效应处于次要地位，常常可忽略不计^[11]。

2.1.4 焦耳效应

电流经过导体时会产生不可逆的发热现象，这种现象就是焦耳效应。其定义如式（2.5）。

(2.5)

式中为导体热功率，单位为W。R为电阻，单位为。为电导率，单位为。

2.1.5 傅里叶效应

1822年，法国学家傅里叶提出了一条热导定律，即单位时间内通过某一给定截面的热量与垂直于该截面方向的温度梯度与该截面面积成正比。

(2.6)

式中为傅里叶效应产生热量，单位W。为导体热导率，单位。、分别是导体的热端、冷端温度。A为导体截面积，为导体长度。

2.2 热电优值

热电优值也称ZT值，它用来衡量一个热电材料热电性能的指标和量度^[12]。其中，Z是材料的热电系数，T是热力学温度，ZT的乘积用来表示材料热电性能的高低。在两个温差电偶的热导率相同、电导率相同以及塞贝克系数的绝对值也相等时，材料的热电系数表达式如式（2.7）。

(2.7)

式中为塞贝克系数，为电导率，为热导率。

一般为了方便表达及计算，常以热电优值ZT作为衡量材料的热电性能标准。ZT也称为无量纲性能优值，表达式如式（2.8）。

(2.8)

根据关系式可知若想提高一个热电材料的性能，需要使塞贝克系数与电导率尽可能大，使热导率尽可能的小。理论上，热电优值系数不存在上限，但在实际中，Z值会受到导体内载流子浓度的影响，导体内载流子浓度越高则电导率也会越高，但此时塞贝克系数却下降很快，只有在特定比例下，热电优值系数才能达到最大值。

2.3 温差发电原理

温差发电主要使用的是塞贝克效应，它通过温差电偶存在温差从而产生塞贝克电动势，由此对负载进行供电提供输出。常见材料的塞贝克系数列于表2.1，通过比较可以发现：半导体的热电优值一般要高于金属材料，所以温差发电经常使用半导体进行发电。

表2.1 常见热电材料的塞贝克系数^[13]

半导体温差发电的工作原理图如图2.3所示，发电装置通过使用P型与N型半导体组成电偶，当在电偶的上下两端分别以热源、冷源进行控温时则会因温差而产生电动势，从而输出给负载电阻R。P型、N型半导体导电机制主要与载流子浓度有关，对于P型半导体，其载流子是空穴，随着温度升高热端的载流子浓度随之上升，使其热端空穴浓度高于冷端，因此空穴由热端扩散向冷端，当冷端空穴浓度较高时形成反向电场阻止更多的载流子向冷端扩散，而在冷端，空穴的浓度高于自由电子因此带正电。对于N型半导体，其主要载流子为电子，随着温度升高，热端的电子浓度随之上升，热端电子浓度将高于冷端，因此电子开始由热端向冷端扩散，随着冷端电子浓度不断上升，而由于电子带负电，因此会产生向下的电场，此电场将阻止电子的继续扩散，此时冷端的电子浓度高于空穴浓度因此此处带负电。

实际使用中，单独的PN型电偶壁发电量很小，所以经常需要将多个PN型电偶壁串联以提高系统的整体输出能力。

图2.3 温差发电原理图

2.4 温差发电的性能参数

2.4.1 发电效率

温差发电器的发电效率定义为：

(2.9)

式中P为输出电功率，为吸热端吸收热量。

当电路中产生的电流为I时，则输出电功率为：

(2.10)

式中为负载电阻。温差发电器热端的吸收热量应是传导热、焦耳热、帕尔贴热三部分的热量总和^[14]，即：

(2.11)

其中是N、P型半导体的塞贝克系数和，、分别为热端、冷端温度，R为发电器的总内阻，其值为，K为发电器总热导率，其值为。将式（2.10）、式（2.11）代入式（2.9）中可以得到转换效率的表达式为：

(2.12)

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