（轮机工程专业论文）太阳能热电发电系统的热效率和（火用）效率研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人类文明的不断发展，现代社会对电力的需求越来越大。太阳能热电 发电是把太阳辐射能转换为电能的发电技术之一，也是最可能引起能源革命、 替代常规能源的最为经济的手段之一。它具有可靠性高、无运动部件、无污染、 无噪声等优点，是绿色环保的发电方式随着热电材料优值的发展，太阳能热 电发电的前景非常广阔。为此，本文对太阳能热电发电做了一系列的研究，主 要从以下几个方面进行了探讨： 首先从稳态的热传导方程出发，对熟电装置的基本单元进行了热力学分 析，建立了其数学模型，推导出了输出功率和发电效率的表达式；与此同时， 运用有限元软件a n s y s 建立了热电基本单元分析模型。分别运用数学模型和有 限元模型对相同材料参数和边界条件的情况进行了计算，并对结果进行了比较。 其次，在热电基本单元分析的基础上，运用a n s y s 软件建立了太阳能热电 装置的实际模型，按照其实际工作状态施加了边界条件，考虑了集热体表面热 辐射和自然对流换热的影响，得出了模型的温度场和电势场的分布规律以及热 电装置的回路电流、输出功率和热电效率。并对不同输入能量的情况进行了计 算，得出了热电性能参数随聚光比的变化规律。 然后，分析了集热体材料参数对热电性能的影响，得出了热电效率和输出 功率随集热体吸收率、发射率和热导率的变化规律，并提出了太阳能热电装置 集热体应该具备的属性要求。最后，还分析了自然对流、冷端温度及负载等因 索对热电性能的影响，并在此基础上找出了影响装置热电性能的主要因素，探 讨了提高性能的措施，得出了在当前情况下提高热电性能的可行方案。 最后，建立了太阳能熟电装置的火甩分析模型。在效率分析的基础上对装置 的烟效率进行了分析。得出了装置火甩效率随聚光比、集热体材料发射率、集热 体材料热导率、自然对流换热、冷端温度和负载的变化规律。 本文主要运用有限元软件a n s y s 对太阳能热电装置在不同边界条件和材 料参数的情况下进行仿真计算，其分析结果对装置的设计制造具有一定的指导 意义 关键词：太阳能；热电装置；输出功率；热电效率；a 月效率 车论文研究得到国家高技术发展研究计划项目。太阳眈热电光电复合发电关键技术与分布式电站示范 系统”( h n2 0 0 7 a a 0 5 2 4 4 4 ) 的盗助 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg o n 武a n td e v e l o p m e n to ft h eh u m a nc i v i l i z a t i o n , t h ed e m a n d sf o r d e c 啊c i t yp o w e r a r e b e c o m i n gi n c r e a s i n g l yl a r g e r i nm o d e ms o c i e t y s o l a r t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i o ni sat y p eo fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc o u l d c o n v e r tt h es o l a rp o w e rt oe l e c t r i c i t yp o w e r i th a st h ea d v a n t a g e so fh i g hr e l i a b i l i t y , n o n - p o l l u t i o na n dp e a c e f u lo p e r a t i o n sw i t hi m m o v a b l ep a r t s , s ow h i c hi sag r e e na n d e n v i r o n m e n t a l l y - f r i e n d l yt e c h n o l o g y f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h e r m o e l e c t r i c m a t e r i a l sa n dp r a c t i c ea p p l i c a t i o n , i tw i l lb eu s e dp r o g r e s s i v e l ym o r ei nt h ef u t u r e , a n dt h eb e s te c o n o m i c a lm e a s u m so fi tc o u l da l s ob r i n g0 na ne n c t g yr e v o l u t i o na n d s u b s t i t u t ef o rc o n v e n t i o n a l e n e r g y $ o u r c e s s o , as e r i e s o fs t u d yf o rs o l a r t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rs y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , a n ds e v e r a lp r o p o s a l sh a v e b e e nb r o u g h tf o r w a r d , m a i n l y 鸹f o l l o w s ： f i r s to fa l l , b a s e do nt h es t e a d yh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o n , t h e r m o d y n a m i c a n a l y s i s i s p e r f o r m e d o na ne s s e n t i a lu n i to ft h e r m o e l e c t r i cd e v i c e s , a n da m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi ss e tu p t h eo a l c u l a t i n gf o r m u l a t i o n sf o rt h eo u t p u tp o w e r a n dg e n e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h ep o w e rg e n e r a t i o na r ed e d u c e d a tt h eb a m et i m e , a t h e r m o e l e c t r i ca n a l y s i sm o d e li sf o u n d e db yu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t h a n s y s 。w i t ht h es a m em a t e r i a l p r o p e r t i e s a n db o u n d a r y , c a l c u l a t i o n sf o r m a t h e m a t i c a lm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e la r cc a r r i e do u t , a n dt h er e s u l t s 瓣 c o m p a r e d ， s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h e r m o e l e c t r i cu n i ta n a l y s i su s i n ga n s y ss o f t , w a r e , t h ea c t u a ls o l a rt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rm o d e l sa r ec o n s t i t u t e d , a c c o r d i n gw i t ht h e i r a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s , b o l d l yc o n d i t i o n sa r ei m p o s e do n e f f e c t so ft h eh e a t c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o n a r ec o n s i d e r e d t h et e m p e r a t u r ef u n c t i o n , e l e c t r o m o t i v e f o r c e ，s h o r tc u r r e n t , o u t p u tp o w e ra n dt h e r m a le f f i c i e n c yo f t h e r m c * l e c t r i cd e v i c e sa r e o b t a i n e d i nt h es i t u a t i o no fd i f f e r e me n e r g yi n p u t , m o d e l sa r ec a l c u l a t e d t h e t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i n gp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dw i t ht h ec h a n g e so ff o c a l i z i n g r a t i o i na d d i t i o n , a ne f f e c ta n a l y s i sf o rt h et h e r m a lg e n e r a t i n gc a p a b i l i t yo nm a t e r i a l p r o p e r t i e si sc o m p l e t e d t h el a wo ft h e r m o e l e c t r i ce f f i c i e n c y a n dp o w e ro u t p u t 武汉理工大学硕士学位论文 c h a n g e dw i t ht h ec o l l e c t o r sa b s o r p t i o nr a t e , f i r i n gr a t ea n dt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y i sf o u n do u t ，t h er e q u e s t sf o rc o l l e c t o r sm a t e r i a la t t r i b u t e so fat ；o t a rt h e r m o e l e c t r i c p l a n th a v eb e e ns p e c i f i e d f i n a l l y , a f f e c t i n gf a c t o r ss u c ha st h eh e a tc o n v e c t i o n , c o l d p o r tt e m p e r a t u r ea n dl o a da r ei n v e s t i g a t e d ，a n d0 1 1t h eb a s eo ft h i sw o r k , t h em a i n f a c t o r si m p a c t i n go i lt h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t i n gc a p a b i l i t ya r ei d e n t i f i e dm e a s u r e s t oi m p r o v et h ep e r f o r m a r 蹴o b t a i n e d , a n dt h es c h e m e sf o re n l m n c 跫m e n tu n d e rt h e c u r r e n ts h t u a t i o na g ed i s c u s s e d f i n a l l y , am o d e lo fs o l a rt h e r m o e l e c t r i cd c 耐c ee x a g ya n a l y s i si ss e t u p o nt h e b a s i so ft h ee f f i c i e n c ys t u d y , t h et h e r m a le x p i r ye f f i c i e n c yo f t h ed e v i c ei sa n 且i y z e d , a n dt h el a w o fe x c r g ye f f i c i e n c yc h a n g e sc o m i n gw i t ht h ec o n d e n s e r sa 哩；y e f f i c i e n c yr a t i o ，c o l l e c t o rm a t e r i a le m i s s i v i t y , a n dc o l l e c t o r st h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a tc o n v e c t i o nr a t i o ，c o l d - t e m p e r a t u r ea n dl o a da g ef o u n do u t t h i sp a p e ri sm o s t l yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o r w a g ea n s y st om o d e la n d c a l c u l a t e t h es o l a rt h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o rp e s o r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s s o m eo ft h er e m i t sw i l lh a v e8 4 1i m p o r t a n t r e f e r e n c et od e s i g na n dm a l t i n g k e yw o r d s ：s o l a r ；t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a , e f f i c i e n c y ；e x e r g ye f f i c i e n c y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：扭越。日期：苎蔓：! 兰：够 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。 签名：叠邋导师签名：妇日期：圣竺互三，l 尹 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 纵观人类发展史，经历了传统的农业文明和近代的工业文明农业文明在 生产力低下的倩况下依靠农耕牧渔而发展，与自然的关系是天人合一的；工业 文明强调人类征服自然、改造自然，从人类的创造力和人类自身的生产出发。 迅速发展生产力，以高速掠夺自然资源为价值取向，极大地推动了人类科技文 明的发展，创造了巨大的物质财富。但是，在发达、富裕、繁荣的后面，却留 下了资源破坏和环境污染的满目创痍，为此人类己经付出了沉重的代价工 业文明过度地消耗资源、不当开发遭到自然界越来越频繁、越来越严重的报复 和惩罚。一系列全球资源、环境问题不仅严重地制约社会经济的进步发展，而 且对人类的继续生存构成了严重威胁。 自本世纪7 0 年代以来，在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后，人 们一方面调整能源结构，不断加大对新能源的开发利用：另一方面采用新技术、 新工艺，不断提赢能源的利用率。特别是加强对自然界普遍存在的低晶位热源( 如 地热、太阳能、海洋温差能及工农业余热废热等) 的合理利用，取得了不错的效 果，并且很多已经走向了大规模的实际应用。 低品位热源能够产生的温差很小，难于获得较大的发电效率。然而，由于 低品位热源具有投资较低或无须投资的特点，同时也由于其它能量转换方式无 法利用这类低品位热源，因此，如果有一种有效的方式能合理地利用上面所说 的地热、太阳能、海洋能及余热和废热等能源，必定能够缓解甚至解决日益严 重的能源压力和环境危机，在人类为保护环境、开发利用可再生能源方面占有 一席之地 如何利用热电效应直接把低品位的热源转换为电能的研究己成为一个热点 闯题，包括地热、太阳能、工业废热在内的低品位热源在我国是十分丰富的， 如果借助热电器件来有效地利用这些低品位热源，把它转化为电能，这将产生 良性循环，不仅可缓解日益严重的环境污染问题，而且必定具有很大的经济价 值和社会效益。 太阳能由于其储存的无限性、分布的普遍性、利用的清洁性、经济性等优 武汉理工大学硕士学位论文 势，在能源日益匮乏的今天，具有非常广泛的发展空间，已被人类应用到各个 不同的领域。太阳能发电则是其应用方法之一。太阳能发电包括太阳能光伏发 电和太阳能热电发电 ”。太阳能光伏发电是利用半导体等光电转换器件的光伏效 应将太阳能直接转换为电能。太阳能热电发电是先将太阳能转换为热能，再利 用塞贝克效应( 温差电效应) 将热能转换为电能。太阳能复合发电系统则是利 用分光器件将太阳光在某一波长处分开，将波长比较小的光用于光伏发电，将 波长比较大的光用于热电发电，从而提高太阳能的利用效率 然而目前太阳能发电的成本还很高，发电效率也极低，其根本原因是人们 对太阳能发电器件的发电机理及其对材科热导率、电导率等性能的影响还没有 充分认识。因此，对太阳能发电装置的结构和材料特性等进行研究和分析，对 提高太阳能发电效率和降低等具有非常重要的意义 1 2 研究现状 张常年等介绍了太阳能自动跟踪系统的基本结构和工作原理翻，该系统以单 片机技术为核心，通过模数转换芯片对电池板发电电压进行采样，由软件对采 样信号进行分析，给出指令，驱动直流电机转动电池板，实现追踪太阳的效果， 达到提高发电效率的目的，a b r a h a mi g i b u s 等详述光伏发电和太阳能热发电技术 l h ”，介绍了世界各国太阳能发电系统的发展情况以及我国相关技术的发展现状 和前景。y u v o r o b i e v 等对含有只能利用部分太阳光谱的光伏发电装置和既含有 光伏发电和热电发电的混合高温发电装置进行了理论分析和对比，认为复合系 统更加有效和实用p j 卡l ，并具体分析了在高温状态下工作的太阳能混合转换系 统该系统由一个辐射集中器、一个光伏电池和热力发电机组成。并重点讨论 了两种方案：一种是太阳辐射能全部都有工作在高温下的光伏电池来吸收：另 一种是具有特殊的光伏电池结构，它可以利用一部分不能被半导体材料吸收的 太阳光谱来达到高温，而光伏电池本身工作在环境温度下。计算表明混合系统 是切实可行且有效的，且效率远高于第一种情况的效率。 董兆等简述了单晶硅太阳电池的工作原理1 7 1 ，分析了目前单晶硅太阳电池的 应用情况，提出了荜晶硅太阳电池应用的改进方案。吴玉庭等对常规太阳电池 在聚光条件下的热电特性进行了试验研究i 矾。 李斌等分析了目前世界上主要的太阳能热发电技术阴，即( 1 ) 塔式电站。( 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 槽式太阳热电站。( 3 ) 碟群一汽轮机太阳热发电系统。( 4 ) 独立蝶式一斯特林太阳 热发电系统。( 5 ) 太阳烟囱。( 6 ) 太阳池热发电。并对我国发展太阳热发电技术提 出几点思考。许克等列举迄今为止比较成熟的五种热电直接转换技术，并分别 介绍了其原理及发展现状 1 0 - 1 1 1 。 汤广发等叙述了温差发电技术的应用1 1 御，介绍温差发电的优点及提高其性 能的方法。刘宏等从热电优值z 的基本公式出发分析出提高材料的s e e b e c k 系数 的途径【1 3 1 ，认为可以通过提高材料的电导率或降低材料的热导率来提高热电优 值。张华俊等对半导体热电堆的发电性能进行了实验研究f 1 4 j ，当冷端温度不变 时，热端温度越高，电堆输出电压和内阻越大，回路中的电流强度越大。当热 端温度不变时，冷端温度越高，电堆输出电压越小，电流强度越小。 c a l l e nhb 等均认为在半导体热电器件研制中，一方面以提高半导体材料的 优值系数和生产工艺为研究方向；另一方面应从热电转换系统出发，考虑不同 的外部条件，分析各种效应、各种不可逆性对系统性能的影响，应用非平衡态 热力学优化控制理论提供优化设计方案和最佳运行准则【蜡1 聊。李洪峻等介绍了 几类高性能材料及其不同的适用范围1 1 9 i 贾磊等对p - n 结半导体温差发电模型 进行了热力学分析1 2 0 】，并阐述了传导热和汤姆逊热对输出功率和效率的影响， 结果表明传导热对于器件的发电效率有较大的影响。 ，m a t e e v an 等研究认为，在高温和常温区间内，半导体热电材料的输出电动 势是随着冷端温度的降低而增大1 2 1 z 2 1 ，并具体分析了半导体热电材料的输出电 动势与冷端温度的关系。余柏林等认为，热端温度相同时，输出电动势随着冷 端温度的降低而出现先增大后减小的趋势1 2 3 1 。这主要是是因为每种半导体材料 的塞贝克系数都与材料的晶体结构、化学组成及能带结构有关，而电导率则与 载流子浓度和迁移率有关。通过降低半导体材料的冷端温度可以提高载流子浓 度和迁移率，从而提高半导体热电材料的电导率。但实验证明，对于许多半导 体热电材料而言，电导率提高到一定范围后，其塞贝克系数却随着电导率的进 一步提高而较大幅度的下降，从而造成输出电动势随着冷端温度的降低而出现 先增大后减小的趋势。 h y u ndb 等对( b i ，t e ，s e ) 半导体材料进行了深入的研究例，其结果表明： 当温度为2 5 0 k 左右时，塞贝克系数达到最大值。这与文献的结果基本吻合。随 着冷端温度的降低，塞贝克系数减小，但是温差还在增大，这就造成输出电动 势只能以较小的幅度减小。并通过具体实验验证了自己的结论。s c h i l zj 等认为 武汉理工大学硕士学位论文 在热电发电装置中，决定换能效率的因素是温差电优值z t 口踟。但单一均质材 料的z t 值随温度而变化。为此，他们都分别设法将各种均质热电材料按应用温 区设计成梯度结构( f g m ) ，使均质材料各段在整个温区均能发挥最佳效率。马 敢花等认为提高热电树辩性能应该从以下几个方面出发1 2 曰：( 1 ) 提高载流子浓 度；( 2 ) 增加声子散射；( 3 ) 在温度梯度上使热电材料梯度化。鲍思前等认为 热电材辩的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度化和叠层热电材料按合界面的 梯度化1 2 9 - 3 ”。在不同温度下，热电材料具有不同的最佳载流子浓度值。如果在 材料适用温度范围内，适当控制载流子浓度，使其沿材料连续改变，保证整体 材料在相应温度点上都具有最佳的载流子浓度，这样就能够充分利用材料使用 中实际环境的热能源，在较宽的湿度范围内得到较高的品质因子，从而提高均 匀材料在其适用温度域内的热电转换效率李守林等介绍了梯度材料优化设计 的理论基础及方法p 】j ，并且将两种不同单体材料连接起来，制备成梯度结构热 电材料，不仅能扩大材料的应用温区，而且能极大地提高材料的热电转换效率。 g on a k a m o t o 在研究b i 2 t e ，p b t e 合金时，根据材料的热导率之比来确定2 种材 科的长度之比p ”，这种方法显然不够精确。p e n gj i a n g y i n g 等在研究截流子浓度 不同的p b t e 合金组成的梯度材料时，将两段材料功率因子与温度曲线上的交点 作为组成该梯度结构的最佳界面温度，从而决定两单段材料的长度p ”。s o o n - c h u l u r 等在研究z n 2 s b d ( b i s b ) 2 - f f e s e ) 3 时，用数值计算法计算出各自最佳界面温度 与每段材科的最佳长度比，以及p 型和n 型热电堆的最佳截面比p 4 】。宋瑞银等 结合普通热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应、接触热阻，焊料层和导 热覆盖基板等因素的影响，建立了微小型热电发电器的精确数学模型，并迸行 了性能优化分析p ，】。t s u t s u im 等则采用更为精确的有限元法计算了最大热电输 出功率及各单段材料长度，并与实验条件下的数据相比。结果很相似。但对 于如何更精确地确定梯度热电材料的结构还需要在实验中摸索。梁永斌等介绍 了热电发电器的原理、特点、基木结构及其改进措施阳，总结了近年来国内外 在热电发电器件研究方面的现状，提出了提高发电效率的研究方法。潘玉灼等 认为具有梯度结构的热电材料成分是梯度变化的【3 s j ，由于材料的热导率。电导 率，塞贝克系数等存在差异，容易导致整个梯度材料的性能在界面处发生突变。 造成由于热膨胀率的不同引起界面脱落，在接触面处相互扩散导致性能剜降， 在两端和界面处的不同材料间产生接触电热阻等影响等问题，其优化设计理论 错综复杂，形式多样如何对梯度热电材料进行优化设计，最大限度地提高转抉 4 武汉理工大学硕士学位论文 效率，是目前热电材料领域研究的热电之一。钱卫强提出半导体温差发电器材 料特性是发电性能的前提条件p 川，大z t 值的热电材料是制备高效热电设备的基 础。 苏景芳等采用计算机辅助设计对温差电制冷组件进行研究 4 0 - 4 3 ，他认为， 开发高效温差发电器应该成为主攻的方向，在这方面应该融合先进设计方法和 多学科的基础理论，这方面的研究应成为今后研究的重要课题之一。钱剑锋通 过热电器件的理论模型推导出考虑接触效应的实际模型，提出器件电阻、输出 功率与电偶臂长度的相互关系模型，。并通过两种途径对热电器件的性能进行分 析。h s c h e r r e r 等通过计算机数值模拟技术对s l m t t e m d i t e 热电发电设各性能、 尺寸和重量等建立热电发电设备的数学模型并进行模拟运算，以求得高效率的 最优设计方案i 枷。结论表明热电发电设备具有优越的性能和潜在的开发价值， 可以代替像太阳能电池板或放射性同位素这些标准的发电设备。s ao m e r 等建 立了有多个热电偶组成的热电单元模型【“，讨论了的最优几何参数并对优化模 型的性能进行了预测。但它着重分析的是热电设备的几何参数的优化。 p a u ll a u 等均建立了包括焦耳热、赛贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应影 响的有限元模型并进行了热电设备稳态和瞬态模拟分析1 4 7 瑚j ，得出了热电偶 a n s y s 模型可以用来精确高效的分析热电设备的结论。宋瑞银等按照微型热电 发电器输出功率的理论模型，对内阻、塞贝克系数和热导率等热电性能参数在 不同温度范围内进行了测量和拟合。实验测试了不同电偶臂对数、电偶臂高 度以及不同冷热端温度时微型热电发电器的最大输出功率，结果表明：一定范 围内的最大输出功率随电偶臂高度的减小而增大，对电偶臂高度面积的比值进 行适当选取，可使最大输出功率达到最优值；屈健在半导体温差发电的微观机 理方面，提出了针对热电材料的优值系数达到一定值后会随温度下降的半导体 极性弱化假设i 矧，探讨了在高温情况下的低温差发电器半导体电偶臂的内部和 半导体金属界面处非平衡载流子在温差和电势作用下的产生和复合运动过程。 就发电器的内部结构和外部换热条件进行了优化设计与分析。曾宪阳对太阳能 热水系统的模块构件集热器进行了研究i 兜】。王军等通过对均质材料的性能指数 与温度的关系研究得出均质材料c o s b ，和b i ：t e ，最佳的界面结合温度约为 5 0 0 k 托】；当梯度结构商，1 b c o s b ，热电材料在3 0 0 k 至8 0 0 k 的温度范围使用时， 对梯度热电材料中均质材料c o s b ，和b i ，t e 3 的长度比进行了优化设计，设计的结 果表明：最佳的c o s b ，和b i ，t e 3 的长度比约为1 5 ：2 当热端和冷端的温度分别保 5 武汉理工大学硕士学位论文 持在8 0 0k 和3 0 0k 时，分别对2 种均质材料的界而结合处的温度和长度进行了 计算和设计，得出梯度热电材料界面结合处的最佳温度约为5 0 0k ，相应的 两：t e ，和c o s b ，长度分别为1 2 彻和1 0 m m 。w a r t a n o w i c z t 等对参数变化对p - n 结半导体的影响进行了研究，得出理想情况下塞贝克系数、和电导的拟合关系 式p 5 4 】。 r f a nk u r t b a s 等均认为利用传统的能量分析( 基于热力学第一定律) 不能全 面而定性的反映出系统各部分的能量损失，而基于热力学第二定律的姗分析则 能够得到系统中各种能量损失定量和定性的结果，他们都分别从效率和火用的角 度出发对光一热电系统进行了分析i 珏朔 1 - 3 本文工作 本文采用热电有限元理论，运用有限元分析软件a n s y s ，建立了太阳能热 电装置的实际模型，并通过改变边界条件以及材料参数，对不同情况下热电装 置的热端温度、回路电流、路端电压、输出功率、热电效率以及 月效率进行了 详细的计算，得到了太阳能热电装置性能随各个参数的变化规律全文共分为 六章，其主要内容和结构如下： 第一章对课题背景和国内外研究现状进行阐述。 第二章介绍了热电发电的相关理论，包括热电效应的基本原理、热电材料 的性能参数和热传导相关理论。 第三章对热电基本单元和太阳能热电装置进行了分析。首先建立了热电基 本单元一单p o n 结的数学模型和有限元模型，对两种模型在相同形状尺寸、材 料参数和边界条件的情况下进行了计算，并对结果进行了对比，以验证有限元 分析过程的合理性；然后建立了某太阳能热电装置的实际模型，确定其计算边 界条件，对不同聚光比情况下的发电性能进行了计算，得出装置热电性能参数 随输入能量的变化规律。 第四章对太阳能热电装置的性能进行了分析，考虑了诸多因素对装置性能 的影响，得出了热电性能参数随各个因素的变化规律，并探讨提高热电性能的 途径。 第五章对太阳能热电装置进行了姗分析。在能量分析的基础上，建立了太 阳能热电装置的j ：j 8 效率模型，并对影响火用效率的因素进行了分析，得出了热电 6 武汉理工大学硕士学位论文 装置炯效率随各个因素的变化规律。 第六章对全文进行了总结，并指出下一步的研究方向。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章热能发电相关理论 本章介绍了与热能发电相关的理论：热电效应的基本原理、热电材料的性 能参数以及热传导的相关理论为热电发电设备设计和性能研究提供理论基础 2 1 热电原理 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，它包括赛 贝克效应，帕尔帖效应和汤姆逊效应这三个效应通过开尔文关系式联系在一 起。 2 1 1 赛贝克效应 1 8 2 1 年，德国科学家赛贝克( s e e b e c k ) 在做电磁回路实验时发现：当把一 个由两种不同导体构成的闭合回路置于指南针附近时，若对该回路的其中一个 接头加热，指南针就会发生偏转这一现象即被称为赛贝克效应。 日 图2 1 赛贝克效应示意图 如图2 1 所示，由a 、b 两种不同的材料构成的电路，若两个接点a 、b 之 间存在温差醪，则在c 、d 之间会产生电动势e 0 ，其大小与接点之间的温差 成正比 见= 屹凹= 吧一马) ( 2 1 ) 式中为赛贝克系数： 屹= 删l i ma a _ r 兰v = 竺d t ( 2 2 ) 其符号取决于组成热电偶的材料本身及节点的温度。一般规定，在低温( 冷) 武汉理工大学硕士学位论文 端，如果电流的方向是由a 到b ，a o 为正；a o 的大小取决于两节点的温度和金 属导体的材料性质 赛贝克效应是热能转化为电能的直接途径，是本文分析的理论核心。 2 1 2 帕尔帖效应 1 8 3 4 年，法国物理学家c 九p e l t i e r 观察到当电流通过两个不同导体的节 点时，在节点附近有温度变化：当电流从某一方向流经回路的节点时，1 节点会变 冷，丙当电流反向的时候，结点温度会变热。当电流反窟的时候，结点温度会 变热。并与1 8 3 4 年首次发表于法国物理和化学年鉴上，因此这个现象称帕 尔帖效应l e n z 于1 8 3 8 年给出帕尔帖效应的本质特征帕尔帖效应显示出热电 致冷的可能性 q = ：= 葛 图2 2 帕尔帖效应示意图 帕尔帖效应表明，流经两种不同的导体组成的圄路的结点的微小电流会产 生可逆的热效应，在时间丞内其热量a f q 。的大小与流过的电流i 成正比 d e , = 脑= 叮 ( 2 3 ) 比例系数刀称为帕尔帖系数，也叫帕尔帖电势。帕尔帖系数也同时取决于 两种材料，而不是由其中一种材料决定的叮是传输的电荷，当电流由a 到b ， 刀- 为正，砒色) 0 吸热；反之则放热万0 的大小与节点温度及热偶组成材料 有关 在热电转化的过程中，帕尔帖效应属于二级效应，但其重要性不可忽视， 是本文分析的重要理论基础 2 1 3 汤姆逊效应 1 8 5 4 年，汤姆逊( t h o m s o n ) 发现若电流流过有温度梯度的导体，则在导体 9 武汉理工大学硕士学位论文 和周围环境之间将进行能量交换，这种现象称汤姆逊效应。实验得出单位长度 吸收或放出的热与电流和温度梯度的乘积成比例 q r = 勺譬 ( 2 4 ) 式中g 为单位长度导体的吸热( 放热) 率，也称汤姆逊热( w ，m ) ；d t d x 为温度梯度( y d m ) ，f 比例常数，称为汤姆逊系数( v 旧i 如果电流方向和温度梯 度的方向一致时有吸热现象，则汤姆逊系数f 。为正值。 汤姆逊系数的特点是只涉及一种材料的性质。d t d x 的值越大，汤姆逊现象 愈明显。因此，对于某些计算考虑汤姆逊热可以提高计算精度 汤姆逊效应属于二级效应，且其在热分析中处于次要地位 三个热电系数可以通过开尔文( k e l v i n ) 关系式联系起来 开尔文第一关系式： 刀0 = u m t ( 2 5 ) 开尔文第二关系式： f ，玎等 ( 2 6 ) 2 2 热电材料性能参数 热电材料性能参数主要有赛贝克系数、电导率和热导率，其大小直接决定 热电材料品质的优劣 2 2 1 赛贝克系数 对n 型和p 型半导体材料，利用单能谷能带模型，由费米统计分布理论可 得非简并情形下的赛贝克系数口的数学表达式： 口：土誓i ( + ，) + h 掣3 1 2l g 7 ， 式中，岛一玻尔兹曼常数；p 一电子电量；j 一散射因子；舡普朗克常数；埘一 载流子( 空穴或电子) 的有效质量：，载流子浓度 由上式看出，半导体材料的赛贝克系数、载流子浓度、载流子迁移率互相 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 联系。 2 2 2 电导率 热电半导体材料的电导率与载流子浓度( ) 及迁移率( ) 有关，其表达式 为 口= n 。e a ( 2 s ) 对热电半导体材料而言。它的赛贝克系数、电导率、热导率等都不是完全 独立的物理量，它们都是载流子浓度的函数。 一般来说，半导体的电导率与载流子的浓度成正比，而赛贝克系数却随载 流子浓度的增加而降低， 在半导体中。载流子( 电子和空穴) 通过扩散和漂移来产生电流其中， 空穴的扩散和漂移产生的电流密度的表达式为 j p e p a ，闷一厶巩罢 ( 2 9 ) 电子的扩散和漂移产生的电流密度的表达式为 jf e p 嘏。融鼍 硌t i o ) 半导体中电子和空穴同时存在扩散运动和漂移运动时的电流密度方程为 一- ，= q g ，鲴一k e o r 塑农) + e g 卅司k e o t d 露n ) ( 2 1 1 ) 式中，p 一电子电量；，一空穴浓度：一一电子浓度；工位移；约一空穴迁移 率；以一电子迁移率；k 一玻耳兹曼常数。 半导体中，空穴和电子的连续性方程分别为 空= 一小笋+ g ，(21z)dt e f 7 害：一! 一丝+ 岛 ( 2 1 3 ) 础e ” f - 式中，一时间；f ，一空穴寿命；厶电子寿命；g ，一因其它外界因素引起的 单位时间单位体积内空穴的变化；g 一因其它外界因素引起的单位时问单位体 积内空穴的变化 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 热导率 半导体的热传输相当复杂。适用于低温学意义上的温度范围的量子理论无 法解决热电材料运用于最重要的高温区域。 从宏观热力学上来讲，热传输是指热量在温度梯度的作用下从高温处向低 温处的流动过程。在微观尺度上，热传输上是一个扩散过程，热传输的载体包 括：a 声子；b 自由电子和空穴；c 电子一空穴对；d 激子耦合电子一空穴对； e 光子。 热传导载流子在固体中并不是无限传播，由于各种不同的机制产生的散射， 限制了各类热传导载流子的扩散，因而材料的热传输受到很大的制约。对热传 输的研究就集中在对散射作用的研究上。 当几种热传导机制同时存在时，总的熟导率是几种热传输机制的热导率的 叠加 r = ( 2 1 4 ) 这种叠加并非简单的加和，各种传导机制间互相影响，热导率机制的研究 必须考虑到载体间交互作用，对热电半导体材料的热导率可简化成两个部分， 即晶体点阵热导率( 晶格热导率r ，) 和电予热导率： r = + ( 2 1 5 ) 电子热导率受载流子浓度和载流子的迁移率的影响，随载流子浓度呈近 似线性变化，同时随载流子的迁移率变化，但是变化幅度比较小半导体材料 的电子热导率在整个热导率中所占的比例很小，所以在考虑材料的热电性能时， 一般不考虑电子热导率的影响。 2 2 4 热电性能优值 每种热电材料都有各自的适宜工作温度范围，通常，以热电优值系数z 与 温度丁之积这一无量纲量来描述材料的热电性能，优值越大，其热电性能越理想 热电优值系数z 与z r 表达式为 z ：立 ( 2 1 6 ) r 武汉理工大学硕士学位论文 z t ：1 2 2 0 - t ( 2 1 7 ) r 式中，z 优值系数，单位k ；z t 优值，无量纲数。 公式( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 表明，优良的热电材料应具有较高的赛贝克系数，较低的 热导率盯以维持较大的温差、较高的电导率r 以减少焦耳热损失。而影响z 值的 这三个参数是相互关联的，它们均是载流子浓度的函数 2 3 热传导理论 2 3 1 热传导微分方程 太阳能热电装置的温度场以一定空间内所有点上的温度值来描述。在直角 坐标系中，可用方程表述为t = ，以y ，z ，) 的形式。利用傅里叶热传导定律和能 量守恒定律，可以导出具有内热源、瞬态温度场和变物性参数的固体导热微分 方程式在直角坐标系下，热传导方程的一般形式为 夏吖t - 刀f f 、j + 昙一等 + 昙i 罢 + 吼= 昙c 力 ( 2 - 8 ) 式中，r 为物体瞬态温度，；f 为过程迸行的时间，s 矿为材料的密度， k g ，m 3 ；k 为材料的热导率，w ( m c ) ic 为材料的比热容，j ( k g ) ；吼为材料 的内热源强度，w m 3 ；j 、y 、：为空间坐标。 若无内热源，式( 2 - l s ) c b 的吼取为0 即可式( 2 - i s ) 是传热方程的一般形式， 根据所描述的物理过程，上式可以有很多退化形式。 对于平面问题，认为热导率相同，将比热容看成常量，方程( 2 1 8 ) 的形式为 恪芬卜叫詈 对于轴对称问题，如以z 轴为对称轴，则方程的形式为 - f ( k ( a 2 _ + ! _ r7 i 石c o t 等卜筹 ( 2 2 0 ) i 务z + 7 歹+ 夏 j + 靠2 p 。石 ( 2 2 0 ) 在本课题的计算中，采用的是稳态分析，即r 不随时问t 变化故式( 2 2 0 ) 的右侧等于0 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 边界条件 太阳能热电装置的传热分析主要有三类边界条件，如图2 _ 3 所示。 ( 1 ) 第一类边界条件。指物体上的温度函数已经知道，用公式表示为 州，= l 纠，= 如y , z , o ( 2 2 1 ) 式中，r 为物体边界；l 为己知壁面温度( 常数) ，；f ( x , y , z ，f ) 为己知壁面温 度函数( 随时间而变) 。 文中在对热电装置进行热电耦合分析时，在散热板上施加的边界条件是采 用的第一类边界条件，即约束散热板表面的温度为某一定值 图2 3 热传导的边界条件 ( 2 ) 第二类边界条件。物体边界上的热流密度( 或称热流率或热负荷 g ( w l m 2 ) 为已知。用公式表示为 刀l 吼纠魂2 9 2 ( 2 2 2 ) g i ，= 。氛= g 似弘毛，) 式中，撑为物体边界的外法线方向：龟表示热流率为一已知常数；弛弘毛f ) 表 示热流率为一己知函数，在数值计算中经常分段取其平均值作为常数。 式( 2 2 2 ) 中口的方向与边界外法线力的方向相同，若g ：是从物体内部向外流 出，则取正；若吼从