層疊型太陽能光伏—熱電混合發(fā)電系統(tǒng)的研究

【摘要】：太陽能具有儲量極其豐富、分布廣泛、清潔、免費等優(yōu)點，有望成為人類的終極能源。光伏發(fā)電可以將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，是利用太陽能的重要手段。然而目前光伏電池的效率較低，只能將小部分的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其余部分的太陽能都變成了廢熱，提高太陽能發(fā)電的效率是太陽能發(fā)電領(lǐng)域最主要的研究方向。溫差發(fā)電是一種利用熱電材料的賽貝克效應(yīng)把熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，具有無振動、無噪音、無磨損、無泄漏、體積小、重量輕、安全可靠壽命長和無污染等優(yōu)點。層疊型太陽能光伏-熱電（PV-TE）混合發(fā)電系統(tǒng)是把熱電模塊貼在太陽能光伏電池板的背面，在光伏發(fā)電的同時，熱電模塊可以將太陽能光伏發(fā)電過程中產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)化為電能，從而提高了太陽能的發(fā)電效率。 本文首先對熱電模塊進(jìn)行了多物理場數(shù)值模擬和實驗研究。建立了熱電模塊的多物理場模型，對熱電模塊溫差、輸出電流對熱電模塊輸出功率和效率的影響進(jìn)行了數(shù)值計算；搭建了熱電模塊的性能測試平臺，對熱電模塊進(jìn)行了實驗測試。并把部分?jǐn)?shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，驗證了所建多物理場模型的有效性。研究結(jié)果表明，熱電模塊的效率和功率都隨其兩端溫差的增加而增大，效率與溫差近乎符合線性關(guān)系，功率與溫差近似符合拋物線關(guān)系；熱電模塊的輸出電流對其的輸出功率、效率以及熱端吸收的熱量產(chǎn)生很大的影響。增加熱電模塊兩端溫差是利用溫差發(fā)電的關(guān)鍵。這些結(jié)論為PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)。 其次對整體的PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。根據(jù)模擬結(jié)果提出了以熱電模塊的陶瓷基板兼做光伏電池背板的新型結(jié)構(gòu)的光伏-熱電混合發(fā)電系統(tǒng)(記為PV1-TE)，并且研究了光照強(qiáng)度、空氣溫度、外界風(fēng)速、冷端散熱能力、熱電模塊輸出電流、熱電單元長度等對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)相比，PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池的溫度降低，功率增加，并且熱電模塊的發(fā)電功率也明顯增加。增加光照強(qiáng)度可以同時提高光伏和熱電的發(fā)電功率；隨著外界空氣溫度的增加，光伏電池的功率下降，熱電模塊的功率幾乎不變；隨著外界風(fēng)速的增加，光伏電池的功率增加，熱電模塊的功率下降；隨著冷端散熱能力的增加，傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的光伏、熱電以及PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率都不斷增加，但是增長速率逐漸變小，最后趨于零；熱電模塊的輸出電流不僅影響其本身的輸出功率，也對光伏電池的發(fā)電功率也產(chǎn)生一定的影響；隨著熱電單元長度的增加，光伏電池的功率下降，熱電模塊的功率增加，PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)總的功率變化根據(jù)熱電材料的性能而定。利用高性能的熱電材料，并且熱電模塊兩端的溫差為10K時，PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的功率將會比傳統(tǒng)光伏電池的高出30%。 最后對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。制備了傳統(tǒng)光伏電池以及PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的樣機(jī)，并對它們的輸出特性進(jìn)行了對比研究，分析光照強(qiáng)度和冷卻能力對于PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，并與部分模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。實驗結(jié)果表明，光照強(qiáng)度為160mW/cm2，并且冷卻水溫度為5℃時，PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的功率將會比傳統(tǒng)光伏電池的高出5.37%。 綜上所述，本文對層疊型PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。所得結(jié)論可以為該混合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提高重要的指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】：層疊型 光伏 熱電 混合發(fā)電 數(shù)值模擬 實驗研究
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-22
• 1.2.1 層疊型PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.2 新型熱電材料的研究18-20
• 1.2.3 熱電材料的應(yīng)用簡介20-22
• 1.3 本文研究內(nèi)容22-25
• 第2章 理論基礎(chǔ)25-35
• 2.1 傳熱學(xué)理論25-26
• 2.1.1 熱傳導(dǎo)25
• 2.1.2 熱對流25-26
• 2.1.3 熱輻射26
• 2.2 光伏發(fā)電26-29
• 2.2.1 硅太陽能電池結(jié)構(gòu)26-27
• 2.2.2 光伏電池等效電路和伏安特性27-28
• 2.2.3 光伏電池溫度特性28-29
• 2.3 溫差發(fā)電理論29-33
• 2.3.1 賽貝克效應(yīng)29-30
• 2.3.2 白爾貼效應(yīng)30
• 2.3.3 湯姆遜效應(yīng)30
• 2.3.4 開爾文關(guān)系式30
• 2.3.5 熱電模塊參數(shù)30-33
• 2.4 層疊型PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的等效電路33-34
• 2.5 本章小結(jié)34-35
• 第3章 熱電模塊的多物理場數(shù)值模擬與實驗研究35-53
• 3.1 熱電模塊的多物理場數(shù)值模擬35-45
• 3.1.1 模型描述35-36
• 3.1.2 控制方程36-37
• 3.1.3 邊界條件37-38
• 3.1.4 模擬結(jié)果分析及優(yōu)化38-45
• 3.2 熱電模塊的實驗研究45-50
• 3.2.1 實驗平臺46-48
• 3.2.2 實驗結(jié)果與討論48-50
• 3.3 本章小結(jié)50-53
• 第4章 混合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬及優(yōu)化53-71
• 4.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型53-59
• 4.1.1 太陽能光伏電池板的熱模型53-57
• 4.1.2 熱電模塊兩端的溫度57
• 4.1.3 散熱器底面與周圍空氣之間的熱阻57-59
• 4.2 模擬結(jié)果分析59-69
• 4.2.1 光照強(qiáng)度對PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的影響59-62
• 4.2.2 空氣溫度和風(fēng)速對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的影響62-64
• 4.2.3 PV1-TE冷端散熱能力對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的影響64-65
• 4.2.4 PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)中熱電模塊的優(yōu)化65-67
• 4.2.5 熱電單元長度對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)中的影響67-69
• 4.3 本章小結(jié)69-71
• 第5章 混合發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究71-79
• 5.1 實驗過程71-72
• 5.1.1 光伏電池的制備71-72
• 5.1.2 PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的制備72
• 5.1.3 樣機(jī)的性能測試72
• 5.2 實驗結(jié)果與討論72-77
• 5.2.1 PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性72-74
• 5.2.2 光照強(qiáng)度對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響74-75
• 5.2.3 冷卻能力對PV1-TE混合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響75-77
• 5.3 本章小結(jié)77-79
• 第6章 總結(jié)及展望79-81
• 6.1 論文總結(jié)79-80
• 6.2 下一步工作及展望80-81
• 參考文獻(xiàn)81-87
• 作者簡介及科研成果87-88
• 致謝88

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