全球能源与生态危机给人类的生存和发展带来威胁,使研究者更加倾向于可再生资源的开发与应用,得到最多关注的是清洁的太阳能。太阳能向电能转换的途径通常有两种,太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能光伏发电是利用太阳光照射在半导体材料上,利用其光生伏特效应,将太阳能转换为电能。太阳能热发电一种形式是利用太阳能聚光集热系统收集太阳能,加热工质,驱动大型蒸汽轮机等带动发电机组发电,属于太阳能高温热利用范畴;另外一种形式,太阳能温差发电是将太阳辐射能作为温差发电模块的热源,利用热电材料的塞贝克效应将太阳热能直接转化为电能,属于太阳能中温热利用。随着对太阳能中温热利用的需求越来越多及热电材料性能的发展,太阳能温差发电这种绿色环保的发电方式成为近年来的研究热点,这种发电方式的优点是可以使用太阳光的全部光谱,装置无机械转动部件,维护方便,不产生任何废弃物。本文将太阳能的聚光集热技术与半导体温差发电技术相结合,设计聚光太阳能温差发电装置,对装置中涉及的关键技术及热电耦合性能进行深入研究。(1)太阳光的能量密度较低,直接使用达不到温差发电的热源要求,因此可以通过对太阳能进行聚光来提高热源温度。将半导体温差发电技术和太阳能聚光集热技术结合起来设计聚光型太阳能温差发电装置,该装置主要包括太阳能聚光器、涂有太阳能选择性涂层的集热体、半导体温差发电模块(Thermoelectric Module,TEM)、冷却系统、太阳跟踪控制系统、最大功率点跟踪控制等,完成太阳能向电能的转换。(2)采用线聚焦的槽式抛物面镜聚光器,使入射的太阳光反射后聚集到位于焦线上、面积较小的集热体上形成焦面,使温差发电器热端获得高温热源。运用Trace Pro光学软件对聚光器模型进行光学仿真模拟。结果表明,槽式抛物面镜能够对太阳光实现有效的聚光集热;光线吸收率和效率统计结果表明,光线垂直入射时整个集热体光线吸收率达到98.20%,光学效率为78.68%,随着太阳光线偏差角度增大,光线吸收率及系统光学效率逐渐降低。(3)实际设备应用时,聚光镜会受到其上方集热体的遮挡,反射后集热体底部会存在阴影区,使集热体上的聚光效果达不到最佳,从而影响整体输出功率。建立阴影区数学模型,在Trace Pro光学软件中模拟光线不同偏差角下阴影区的变化规律,建立阴影区计算模型并设计补光方案,结果选择两块平面式反光板组合进行阴影区补偿,并得到反光板最优参数,最后通过软件仿真验证了补偿参数的正确性。(4)太阳的位置时刻在变化,只有使聚光装置始终接收太阳的垂直光线,才能提高太阳能的利用率。设计基于PLC控制的垂直-水平双转轴主动式跟踪方式,4个光照度传感器位于聚光镜的上下左右对称位置,对太阳光照强度进行实时采集,并将采集数据传入PLC中进行存储并比较,最后由PLC输出比较结果来控制步进电机,通过步进电机来控制减速传动装置,传动装置带动聚光镜转动自动跟踪太阳。软硬件调试结果表明,该太阳跟踪控制系统能够实现对太阳的有效跟踪,满足本装置对太阳能的需要。(5)要想使装置始终处于输出最大功率的状态,需要对本装置中由多个温差发电模块组成的TEG进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制。通过对比分析,选择电导增量法作为MPPT控制算法,在Matlab/Simulink仿真环境下建立MPPT电导增量法控制子模型,仿真波形表明,电导增量法能够快速有效的跟踪到系统的最大功率点。运用集中-分布混合式MPPT控制策略,每个TEM有一个独立的分布单元,10个TEM串联后有一个集中单元,最终各分布单元的输出端都与集中单元的输出端并联,输出功率的最大点由TEM的集中单元和分布单元共同获得。试验结果表明,MPPT控制系统有效的提高了本装置的输出功率及功率的稳定性,装置运行30min内,有MPPT输出功率平稳且很快达到最大值,平均输出功率比无MPPT时增加3.2W。(6)基于能量平衡与三维温度场模型对聚光太阳能温差发电装置热电性能进行分析。从能量平衡角度对装置的光热能量转换、热电能量转换、散热过程建立数学模型,在MATLAB环境下对能量转换方程进行模拟和数值运算,得出聚光比和太阳辐照度对系统性能的影响规律,数值模拟结论有助于优化装置设计。应用ANSYS有限元建立三维温度场模型,对单PN结热电耦合性能进行分析,得到热电单元温度场及电势场分布趋势,集热体表面能量分布与散热片上的温度场分布图,将不同温差下的输出功率与装置试验功率进行对比,结果表明,试验值接近理论值,验证试验结果的正确性。(7)对聚光太阳能温差发电装置进行试验分析。基于水冷的装置短时试验分析了冷却水流量,负载变化,及MPPT控制对装置性能的影响。结果表明,随着冷却水流量的增加,对流换热系数增大,导致温差发电器冷端温度降低;不同温差下输出功率随负载的变化趋势基本相同,都是随着负载的增加而增加,到达最大功率输出点后开始平稳下降;有MPPT下的输出功率在装置运行12min时达到最大值30.2W,而没有MPPT时在18min时达到最大输出功率29.1W。全天测试结果显示,装置运行8h发出电量222.4W·h,热电转换效率最大为5.4%,装置最大效率4.1%。基于冬季自然风冷试验主要测试风速对系统性能的影响,以及验证装置为日光温室供电的可行性。结果表明,随着风速的增加,集热体表面温度、TEG冷热端温度都降低;试验6小时发电量为340.2W·h。连续性试验结果显示,装置10天内总发电时间为52.01h,共发电2.74kW·h,装置可满足小型育苗温室中用电需求。(8)运用太阳能工程经济,从现值分析的角度出发获得太阳能装置的年收益表达式。结果表明,常规能源价格上涨对太阳能开发利用是个十分有利的积极因素。对太阳能光伏发电及温差发电转换效率进行分析。太阳能电池转换效率在短时间内无法得到提高,温差发电转换效率低主要是受到热电材料性能的限制,假如热电材料优值系数达到2,其转换效率与光伏转换效率相比具有一定竞争优势。迄今为止从热力学基本定律出发所进行的所有理论研究,还没有发现热电优值系数存在上限,从长远来看,采用聚光器和高优值系数的热电材料组成的太阳能温差发电装置对于许多应用在经济上有竞争力。