太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化研究

【摘要】：太陽能熱電發(fā)電是除光伏發(fā)電外的另一種直接將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能的方式,并且已經(jīng)成為近幾年來太陽能利用的新熱點。本論文通過詳細的理論分析和實驗研究來優(yōu)化太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)。 首先,本文陳述了不同熱電效應(yīng)的基本原理及其相互關(guān)系,設(shè)計并制造了不同裝置的樣品,如具有不同表面輪廓的太陽能接收器、應(yīng)用于熱沉的水冷器,和空冷翅片型熱沉的設(shè)計及優(yōu)化等。基于擴散焦點方法(DFP),設(shè)計了具有高照度均勻度的菲涅爾聚光器并用蒙特卡洛光線追跡方法進行了模擬,模擬結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的設(shè)計方法,DFP方法能夠顯著地提高太陽能熱接收器上的照度均勻度。 其次,本文對具有/不具有均勻溫度分布的熱電發(fā)電系統(tǒng)進行了對比。在模擬和試驗過程中,對兩個系統(tǒng)的輸出電流、輸出功率、開路電壓和系統(tǒng)效率進行了對比,模擬和實驗結(jié)果表明,保持熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱接收器上表面溫度均勻能夠獲得更好的輸出。 此外,本文提出了一個完整的數(shù)學(xué)模型來揭示湯姆遜熱和熱接觸電阻對太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)的影響。模型的分析方程由冷熱結(jié)點溫度、冷熱接點間的熱導(dǎo)率、輸出功率、最大輸出功率、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)最優(yōu)效率、輸出電壓和輸出電流等參數(shù)導(dǎo)出?；诖四Ｐ偷囊粋€工程實例表明,忽略湯姆遜熱和界面間的熱接觸電阻將嚴重影響太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)的輸出。 最后,本文設(shè)計實驗研究了太陽能熱接收器的上表面輪廓對系統(tǒng)優(yōu)化的影響。實驗結(jié)果表明,當使用一個平頂?shù)奶柲軣峤邮掌鲿r,系統(tǒng)具有更優(yōu)的輸出性能。在理論研究之外,我們用數(shù)值模擬方法分析了長度、厚度、熱電材料的橫截面形狀、外部連接負載、匹配負載以及品質(zhì)因數(shù)對太陽能熱電系統(tǒng)優(yōu)化過程的影響。當匹配負載為RO=Re時,系統(tǒng)達到最大輸出和最高系統(tǒng)效率,并且這一最大輸出的數(shù)值主要決定于Th值。另外,我們發(fā)現(xiàn)雙級太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)比單級太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)有更高的輸出。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 太陽能熱電 溫度依賴型材料特性 系統(tǒng)優(yōu)化 不均衡熱力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 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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