太阳能热水器发电系统设计论文.docx

太阳能热水器发电系统设计摘 要太阳能热水器发电系统是一种多功能的热水器，它改变了原有单一的模式，增加了发电功能，提高了绿色能源的利用率。它以热水器为载体，利用水箱富余的热量进行温差发电，然后通过控制器将电量存储到蓄电池中，再经逆变电路，转化成家庭用电。其中，主要克服的问题是提高发电器的发电功率，设计控制器功能，以及寻找蓄电池最佳的充电模式。首先，通过搭建实验装置，对温差发电器输出电压、功率等进行采集、测试，总结出一系列的相关规律，从中推导出最佳的输出功率；然后，通过设计电路，软件模拟仿真的方式，实现控制器的各个功能；最后通过所分析的实验结果对系统进行优化，使系统性能更可靠，功能更加齐全，最终达到理想的效果。关键词： 热水器；控制器 ；温差发电；充电模式 Abstract目 录1 引言1.1 课题背景在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。而实现这一战略，最有效的方法是提高科学技术，大规模地开发利用可再生洁净能源。其中，太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。发展替代能源是我国经济实现可持续发展的前提。太阳能是最丰富的可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。我国必将步入更为多元化、清洁、高效的能源消费新时代。据测算，使用1平方米太阳能板的热水器，相当于每年节约120公斤煤。因此，许多专家建议，我国应当大力倡导发展太阳能这样的可再生能源。 此外，另一种绿色新技术温差发电也日益受到人们的青睐。温差发电是根据塞贝克效应直接将热能转化为电能，具有无运动部件、体积小、重量轻、可靠性高等特点，是绿色环保的发电方式。作为一种新型能源利用技术，与传统发电方式比较,温差发电技术具有较多优点，在低品位热能利用方面具有独特的优势和良好的应用前景,能够满足对中小发电量的需求。因此，如果将温差发电技术运用到太阳能热水器中，该技术将得到更充分的发展。在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。另外，我国在太阳能加热方面的基础理论研究、应用研究、技术标准、制造水平、产品质量等方面，总体处于国际先进水平，多项指标国际领先。这使得进一步利用太阳能进行温差发电，并使之广泛普及成为可能。如果能够在太阳能热水器上加装发电模组，利用热水器富余热能发电，使太阳能热水器不再是单一的提供热水,还可以弥补居民的用电问题。这将大大的提高太阳能的利用率，缓解能源危机，还能使热水器增加卖点。1.2 国内外研究现状世界将太阳能作为一种能源和动力加以利用，已经有300多年的历史。1615年法国工程师所罗门.德.考克斯发明了第一台利用太阳能加热空气使膨胀做功而抽水的机器.在1615年-1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。但是早期的太阳能装置大多数没有多少实用价值。20世纪70年代以来，太阳能热利用科技开始发展，太阳能利用日新月异。各种太阳能产业拔地而起。太阳能热水器也就得到快速的发展与推广。我国的太阳能热水产业的发展始于上世纪80年代。自上世纪90年代以来，我国太阳能热水器行业保持了10多年的快速增长。目前，我国既是世界上最大的太阳能热水器生产国，同时也拥有世界上最大的太阳能热水器市场。目前，太阳能热水器技术成熟，对于太阳能的利用率较高，节省能源损耗，并且以其绿色环保，安全等优异性能，受到了人们的欢迎。但是，市场上的太阳能热水器大多存在功能单一，结构简单，不能有效、合理的的利用能源，造成一些浪费。加装发电模块的热水器能将多余的热水转化成电能储存起来，还可以解决家庭用电，对具有辅助电加热功能的热水器，也能在水温不足时提供加热。这样能更加充分的利用太阳能，造福人类。1.3 课题的意义目前,太阳能热水器技术成熟，每天都能吸收大量的热量，四季热水十分理想，尤其在夏季，由于太阳温度很高，热量实在无法用完,每天都出现严重过剩,大量的热能白白的浪费掉了实在可惜。太阳能发电热水器,是在不改变热水器原有性能的基础上,在热水器上安装一种发电模组,使太阳能热水器不再是单一的提供热水,还可以弥补居民的用电问题,利用太阳能热水器的富余热能直接发电，不影响热水洗澡，不破坏整体结构。而且能最大限度的利用热能发电,发电量大,使用寿命长；只要具备有热能的地方，即使全天24小时发电，也不影响产品使用寿命，不分季节黑、白、雨、雪、天气，只要太阳能热水器水箱里有热水就能发电。充分地利用了免费的太阳能资源，节约能源无污染，是政府和国家所倡导的绿色能源。2 温差发电的基本效应 当两种不同金属（或半导体）连接成一个闭合回路，将它们的接点放到两个温度不同的地方，则总的热电效应将同时发生的五种不同效应：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅立叶效应。其中，前三种效应是电和热可以相互转换的可逆效应。而另外两种效应即焦耳效应和傅立叶效应则是不可逆效应。这五种效应构成了温差电研究的理论基础。2.1 塞贝克效应1821 年，塞贝克发现在两种不同金属构成的回路中，如果两个接点处的温度不同，其周围就会出现磁场。进一步实验研究之后，发现了回路中有电动势存在，这种现象称为塞贝克效应。这种电动势就称为塞贝克电动势，又称温差电动势。如图2-1 所示，如果两种不同材料金属a 和b 两端节点上存在温差T时，则在金属两端便会产生电动势U，称为温差电动势。且温差电动势U是大小与结点间的温差DT 成正比。比例常数称为塞贝克系数(也称温差电动势率)，其数值如式（2-1）： ab=lim T0UT=dUdT (2-1)其单位为V / K 或mV / K 。塞贝克系数不是由一种材料，而是由一对材料形成的。由于所选的材料不同，电位的变化可以是正或负。因此，塞贝克系数不只是大小，而且符号也很重要。通常规定：同一接头处，若电流由导体b 流入导体a，则塞贝克系数aba 就为负。事实上，对所有的材料都赋以塞贝克系数的绝对值就比较方便了。这样，热电偶由两种不同材料组成，则结点的塞贝克系数为两种不同材料绝对值的差。假设一种材料与某种塞贝克系数为零的理想材料结合在一起，就会得到这种绝对值。实际上，这种理想材料只能是处在极低温度下的超导体。在这样的温度下进行测量并用外插法推算到室温。当对铜进行这样的测量时，得到室温下绝对塞贝克系数约为2V / K。由于这个数值在所希望的测量精度以内，所以通常都以铜为基准材料来测量，把所得的结果当作绝对塞贝克系数。若用a和b来表示材料1 和2 的绝对塞贝克系数，其数值可由开尔文关系式得到式（2-2）、（2-3）： a=00TdT （2-2） b=00TdT （2-3）由这两种材料所制成的热电对其系数如式（2-4）： a a -=ab =a-b （2-4）显然，当b为正，a为负时，ab 最大。一般由纯金属构成的热电偶ab ， 的平均值约为20V / K；由合金材料构成的热电偶，ab 的平均值约为50V / K而对于半导体材料，ab 可达1000V / K。2.2 珀尔帖效应 当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象（图2-2），这是法国人珀尔帖最早发现的，1834 年首次发表于法国物理和化学年鉴上，因此这个现象称为珀尔帖效应。实验表明，结点上的换热量（珀尔帖热）与电流成正比如式（2-5）： Q=abI （2-5）式中ab为一比例常数，称为珀尔帖系数。其单位为W/A，因而也可以用电压的单位V 来表示。其定义可由开尔文关系式得到式（2-6）：p ap =T （2-6）像塞贝克系数一样，珀尔帖系数也取决于一对材料，而不只是取决于其中一种材料。对ab也有一个规定符号的问题，这必须与ab一致。通常规定，当电流在接头1 处由导体a 流入导体b 时，接头1 从外界吸热(接头2 对外界放热)， 则珀尔帖系数为正，反之为负。 2.3 汤姆逊效应 1854 年，Thomson 发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为汤姆逊效应。（如图2-3）汤姆逊热与通过的电流，温度梯度的乘积成正比如式（2-7）： Q=IdTdxtt =（2-7）式中 Q每单位长度导体的吸热(放热率)，也称汤姆逊热； 比例常数，称为汤姆逊系数； t I 通过导体的电流； T温差；dT/dx温度梯度。 如果习惯电流方向和温度梯度的方向一致时有吸热现象，则汤姆逊系数为正值。汤姆逊系数的特点是只涉及一种材料的性质。温差与冷端温度的比值越大，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。一般因这种热交换是二级效应，它在电路的热分析计其中处于次要地位，可以忽略不计。汤姆逊效应的起因与珀尔帖效应相似，但在汤姆逊效应中，载流子的能