【《某碟式聚光器温差发电系统硬件设计案例》2900字】

--PAGE7-某碟式聚光器温差发电系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13660某碟式聚光器温差发电系统硬件设计案例 1154911.1 发电系统结构设计 1144591.1.1 聚光器部分 2264931.1.2 冷却系统部分 4113001.1.3 温差发电模块 5311941.1.4 输出稳定及控制部分 6193691.2 温差发电模块的组合方式 7152601.2.1 电路的连接方式 7146101.2.2 发电模块的放置形式 883091.3 小结 81.1 发电系统结构设计太阳能温差发电装置主要包括聚光器部分、温差发电模块部分、冷却部分和输出及控制部分，聚光器采用抛物型聚光器或菲涅尔碟式聚光器，温差发电模块及冷却部分紧密结合在一起，聚光器部分汇聚太阳光至温差发电模块热端作为温差发电模块所需的热源，冷却部分采用散热片或冷凝管，通过把温差发电模块产生的废热传递至冷凝管或散热片上传递出来，实现系统冷端的降温。聚光器部分和冷却部分共同作用，提供温差发电模块工作所需要的温差，输出及控制模块用于实现太阳光角度的追踪及将温差发电模块输出的不稳定的电能转换为稳定的电能供给负载使用。图3-1系统热能流通图个系统部分间的热能流通图如图3-1所示，系统的总能量来源为太阳能，由聚光器传递给温差发电模块后转化为电能输出。1.1.1 聚光器部分聚光器部分根据组成结构可分为抛物型反射式聚光器和菲涅尔透镜式聚光器，两种聚光器如图3-2和图3-3所示。图3-2抛物型反射式聚光器实物图图3-3菲涅尔透镜式聚光器实物图 聚光器的性能直接影响流入温差发电模块总能量的大小，同时影响到热端和冷端可以建立的最大温差的大小，直接影响到系统的最大输出功率和输出效率。目前在太阳能聚光领域，由于光线在反射过程中能量的损失相较低于折射过程中的损失，目前大范围应用的均为抛物型反射式聚光器。本文所设计的太阳能发电装置同样采用抛物型反射式聚光器。图3-4聚光器的物理尺寸 聚光器的物理尺寸如图3-4所示，包括开口宽度M，焦距f及聚光器深度h，以聚光器中心最低点为零点，聚光器边缘测坐标点可由(±M/2,h 温差发电模块的热端应覆以集热板，集热板使用导热性能良好的材料制成，本文选择铜作为集热板的材料。集热板表面应覆盖以表面涂层以增强对太阳光的吸收能力并减少辐射热损失，本文选择型号为RLHY-2337的涂料，生产商为北京荣立恒业科技有限公司。1.1.2 冷却系统部分冷却系统的性能直接影响温差发电组件冷热两端所能建立的最大温差的大小，直接影响到装置的输出性能。可以采用的散热方式有自然对流、强制对流及水冷散热。自然对流即设置散热鳍片，利用空气的对流将冷端多余的热量散发出。强制对流在自然对流的基础上，通过设置散热风扇等方式，加快空气流动，加强散热效果。水冷散热方式在冷端安装散热管道，通过在管道中循环流动冷却水，利用水的高比热容特性带走冷端的热量。从散热方式上来说，水冷方式具有最佳的效果，但同时也具有最复杂的装置结构和最高的成本，水泵、水箱、散热器的设置也大大增加了装置的结构并且降低了装置的可靠性和适应性，难以在例如极寒等极端工作条件下使用。自然对流、强制对流方式随性能较水冷方式较差，但却拥有更为简单稳定的结构，散热鳍片结构如图3-5所示。能够适应极端工作条件下的工作情况。根据第二章所述，冷端的性能理论上应越高越好，接合本文所设计装置的应用环境，本文选择强制对流方式的散热。图3-5一种散热鳍片的实物图强制对流方式即为在散热鳍片表面增加散热风扇，当散热风扇停止运行时，系统仍具有大致相当于强制对流方式的散热性能，散热风扇以不同转速运行时，散热器的性能也随之变化。控制器可以通过对散热风扇转速的调节来实现节能、噪音控制并得到当前工况下所需的散热性能。1.1.3 温差发电模块当前主流的半导体温差发电材料有ZnSb、Sb2Te3、Bi2Te3、GeSi、PbTe等，其耐温范围在100℃至600℃有所不同，按照其各自耐温范围可应用于不同的应用场合。对于温差发电模块的选择，按照之前章节所属，首先考虑的要素为温差发电材料的优值系数。本文使用Bi2Te3半导体温差发电模块作为研究对象，型号为SP1848-27145，使用其参数及性能指标作为仿真模拟数据。相关参数如表3-1所示，实物如图3-6所示。图3-6SP1848-27145型温差发电模块表3-1SP1848-27145型半导体温差发电模块主要性能指标性能参数性能指标尺寸40mm*40mm*1.6mm塞贝克系数（VK-1）0.0508室温下内阻2.105Ω温差电动势（α）>190xμV/℃热阻率（K）850-1250Ω-1cm-1热导率（σ）15-16*10-3W/℃cm优值（Z）2.5-1.0*10-3W/℃使用环境/℃-60-1251.1.4 输出稳定及控制部分输出及控制部分的功能主要为:（1）利用DC-DC变换器稳定温差发电模块的输出电压，将温差发电模块电压、电流不稳定的输出电能转变为电压稳定可供利用的电能，供给蓄电池充电或负载使用。该部分使用BUCK-BOOST电路来实现对直流电能的变换，其结构如图3-7所示。图3-7BUCK-BOOST电路结构（2）利用单片机作为系统的整体控制单元，通过采集各种传感器的输出信号，驱动电动机调整聚光器的角度，在太阳照射角度发生偏转导致热端温度降低时能够自动对角度进行修正，或当热端温度过高时调整角度避免温度过高损坏温差发电模块，并通过温度传感器的温度检测值实时监控热端及冷端温度，当冷端温度升高时自动调整散热风扇转速适应当前工况。本文使用意法半导体生产的MSP430系列单片机作为系统的整体控制单元。MSP430系列单片机作为16位单片机，在极低的运行功耗下同时保证了相对优秀的性能，满足本装置的使用需求，其实物如图3-8所示。图3-8MSP430系列单片机1.2 温差发电模块的组合方式单个温差发电模块仅能达到有限的输出功率及输出电压。为了提高整体装置的输出电压及输出功率，可以将多个发电模块进行组合，以满足负载所需的输出功率及输出电压。1.2.1 电路的连接方式对于电路的连接方式，可分为三种：串联、并联和串并联混合，各种连接方式如图所示。图3-9电路的连接方式对于并联连接方式，由于各个温差发电模块实际上无法保持一定的温度差，各个模块的输出电压实际上并不完全相等，就并联连接方式来说，这将导致发电模块之间形成环流，根据并联连接内阻较小的特性，该环流电流将会非常大，对发电片的转化效率和使用寿命造成很大影响。对于串并联方式，此种方式将多个模块串联后再进行并联，可以增大每个支路的内阻，减小环流，但仍无法彻底解决环流存在的问题。为了减小环流的存在，需要另外使用控制装置，通过一定算法实时动态组合各模块，最大程度上减小环流的产生。此种方式大大增大了系统复杂度和控制难度，降低了系统可靠性。对于纯串联方式，则不存在并联连接方式和串并联连接方式中所存在的因为各模块温差不完全相等而导致的环流问题，同时系统结构上最为简单，故选择此种连接方式最佳。1.2.2 发电模块的放置形式温差发电模块可以采用2种不同的放置形式，以4个模块为例，放置形式可分为堆叠放置和平铺放置，如图3-10所示。图3-10温差发电模块的放置形式堆叠放置通过增加发电装置厚度来有效减小了集热板的面积，同时增加了集热板至散热器间的热阻值，第二层发电模块的热端与第一层发电模块的冷端结合在一起。由传热学理论可知，在热端温度和环境温度确定的情况下，此种放置方式会大幅减小单个发电组件热端至冷端的温差