CN107221996A - 一种基于太阳能温差发电的供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于太阳能温差发电的供电系统，包括检测控制模块、低谷时段充电回路和温差发电回路，温差发电装置产生的电能在蓄电池组中储存，市电网络、经过整流降压回处理后接入蓄电池组中，蓄电池组所储存的电能通过DC‑DC变换器转换处理后接入用户负载进行使用；检测控制模块同时与蓄电池组以及各个固态继电器连接，检测控制模块根据工作时段，通过控制固态继电器的状态进行供电回路的选择。本发明的太阳能温差发电装置属于固态能量转换过程，将槽式抛物面聚光集热技术与温差发电技术结合，使用清洁无污染太阳能作为热源，采用冬季自然冷资源降温，本装置能达到聚光集热目的，集热板中心位置能流密度分布最高且均匀。

Description

一种基于太阳能温差发电的供电系统
技术领域
本发明涉及太阳能发电领域，尤其涉及一种基于太阳能温差发电的供电系统。
背景技术
随能源短缺与环境污染问题日益加剧，偏远地区存在生活用电困难问题，可再生能源开发与利用成为解决能源与环境问题主要手段。在太阳能发电领域，目前较为成熟技术是太阳能光伏发电，利用太阳光谱中波长较短光子使半导体材料产生光生伏特效应将光能直接转变为电能，但是这种发电方式将大部分太阳能转化成热能，工作温度每升高1℃，光电转换效率下降3％～5％；将太阳能转化为电能另一种形式是将太阳辐射产生热能直接耦合到半导体热电材料中，利用热电材料塞贝克效应将太阳热能直接转化为电能，这种绿色环保发电方式称为太阳能温差发电；这种太阳能发电方式可以使用太阳光全部光谱，发电装置体积小、成本低、维修简易，在微功耗用电及远距离供电领域得到广泛应用。
中国发明专利CN 103375988 A公开了一种太阳能温差发电系统，太阳能温差发电系统包括：太阳能温差发电系统，聚光太阳能装置，金属光热转换装置，水循环冷却系统，太阳能吸热涂料，其特征是：太阳光和聚光太阳光能照射在涂有太阳能吸热涂料的金属光热转换装置上，太阳能吸热涂料将光能转化为热能传递给金属光热转换装置，金属光热转换装置将热能传递给温差发电装置热端，温差发电装置冷端由海水或河水或湖水或池塘水或地下水循环冷却系统冷却，温差发电装置热端与温差发电装置冷端组成的温差发电系统将热量转换为电能；太阳能温差发电系统包括：太阳能温差发电系统，聚光太阳能装置，太阳能电池板，水循环冷却系统，其特征是：太阳光和聚光太阳光能照射在太阳能电池板上，太阳能电池板将太阳光和聚光太阳光能照射光能转化为电能和热能，热能传递给太阳能电池板下层温差发电装置热端，温差发电装置冷端由空气或海水或河水或湖水或池塘水或地下水冷却，温差发电装置热端与温差发电装置冷端组成的温差发电系统将热量转换为电能；太阳能温差发电系统包括：太阳能温差发电系统，聚光太阳能装置，太阳能电池板，水循环冷却系统，其特征是：太阳光和聚光太阳光能照射在涂有太阳能吸热涂料的金属光热转换装置上，太阳能吸热涂料将光能转化为热能传递给金属光热转换装置，金属光热转换装置将热量传递给温差发电装置热端，温差发电装置冷端由海水或河水或湖水或池塘水或地下水循环冷却系统冷却，温差发电装置热端与温差发电装置冷端组成的温差发电系统将热量转换为电能，太阳光和聚光太阳光能照射在太阳能电池板上，太阳能电池板将太阳光和聚光太阳光能照射光能转化为电能，太阳能温差发电系统与太阳能电池板组合成共用水循环冷却系统和蓄电池的太阳能发电系统。
半导体温差发电原理是在半导体热电模块热端与冷端存在温度差情况下产生开路电压，开路电压随温度差增加而增大，在回路中加上负载电阻即有电能输出；利用太阳能为温差发电模块提供热源，北方冬季室外气温低，自然资源为温差发电模块提供冷源，设计聚光集热型太阳能温差发电装置，改变日光温室供电方式。
现有太阳能温差发电装置中扁平热管两端的温差小，并且扁平热管的冷凝段通过水系统进行冷却，水系统进行冷却的设置增大了太阳能温差发电的成本；现有太阳能发电还存在对太阳能利用率不高，造成太阳能发电效率低、成本高的问题，因此设计一种能降低成本并能较大程度上利用太阳光的装置成为太阳能温差发电的一大目标。
发明内容
本发明公开了一种基于太阳能温差发电的供电系统，是一种智能化、模块化、机械化的系统，太阳能温差发电装置属于固态能量转换过程，将槽式抛物面聚光集热技术与温差发电技术结合，使用清洁无污染太阳能作为热源，采用冬季自然冷资源降温，本装置能达到聚光集热目的，集热板中心位置能流密度分布最高且均匀，太阳能温差发电技术投资及使用费用较低。
本发明是这样实现的，一种基于太阳能温差发电的供电系统，包括检测控制模块、低谷时段充电回路和温差发电回路，所述低谷时段充电回路包括固态继电器和整流降压电路，所述温差发电回路包括温差发电装置、蓄电池组、DC-DC变换器，温差发电装置产生的电能在蓄电池组中储存，市电网络通过固态继电器与整流降压回路连接，经过直流降压处理后接入蓄电池组中，即温差发电装置和市电网络均可向蓄电池组进行电能储存，蓄电池组所储存的电能通过固态继电器与DC-DC变换器连接，经电压转换处理后接入用户负载进行使用；同时，市电网络通过固态继电器与用户负载连接，当蓄电池组电能不足时，由市电网络进行供电；所述检测控制模块同时与蓄电池组以及各个固态继电器连接，检测控制模块实时检测蓄电池电压，根据工作时段，通过控制固态继电器的状态进行供电回路的选择；
所述温差发电装置包括槽式抛物面反射聚光镜，槽式抛物面反射聚光镜的焦线上设置有托架，托架上由上至下放置有集热体、温差发热器、扁平热管和散热器，槽式抛物面反射聚光镜设置于支架上，支架一侧设置有步进电机，步进电机的转轴与槽式抛物面反射聚光镜的中轴连为一体，直接传动槽式抛物面反射聚光镜，步进电机的转轴方向为南北设置，在竖直面内东西方向转动使槽式抛物面反射聚光镜跟踪太阳。
进一步地，所述集热体上放置的所述温差发热器由两组热电模块组件并联而成，每组热电模块组件由20个热电模块串联而成，热电模块两面均匀涂上导热性能良好的硅脂，减少能量散失。
进一步地，所述温差发电装置还包括实现最大功率点跟踪控制的DC-DC变换器，通过改变占空比控制量D使温差发热器(10)内阻与负载电阻匹配，温差发热器(10)保持输出最大功率。
进一步地，温差发热器热端从集热体吸收热量，温差发热器空隙处填满石棉，减少温差发热器热端散热。
进一步地，集热体采用铝合金材料制成，将集热体的吸热面用粗砂纸简单打磨处理后涂上太阳能选择性涂层，提升光热转换效率。
进一步地，所述集热体表面罩上透明玻璃，以减少空气对流散热损失。
进一步地，温差发热器冷采用扁平热管加热。
进一步地，扁平热管蒸发端与温差发热器热端连接，扁平热管冷凝端与散热器连接，扁平热管两端存在温差，冷凝段凝结液化后，通过毛细作用流回蒸发段。
进一步地，所述散热器为翅片状，翅片状散热器增大温差发热器的散热面积。
本发明提供的一种基于太阳能温差发电的供电系统的优点在于：本发明提供了一种基于太阳能温差发电的供电系统，是一种智能化、模块化、机械化的系统，太阳能温差发电装置属于固态能量转换过程，将槽式抛物面聚光集热技术与温差发电技术结合，使用清洁无污染太阳能作为热源，采用冬季自然冷资源降温，本装置能达到聚光集热目的，集热板中心位置能流密度分布最高且均匀，太阳能温差发电技术投资及使用费用较低，为太阳能光伏发电1/3～1/5，发电成本是太阳能光伏发电1/10～1/20；成本低、使用寿命长、占地面积小、不存在大型机械转动部件、不存在废弃物、低碳环保，亦可为偏远少电地区或远程传感器提供新供电方式；温差发电装置中添加DC-DC变换器实现最大功率点跟踪控制，达到温差发电器保持最大功率的输出状态；由于任何一方光伏电池功率都能供给电力系统和负载，DC-DC变换器和PWM变频器的结合使用，即使在部分地出现阴天，都不存在太阳电池的供电问题，也没有输出功率的脉动问题，而且电路构成简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种太阳能温差发电回路与电网供电系统的流程框图；
图2为本发明一种基于太阳能温差发电的供电系统的温差发热器结构示意图；
图3为本发明一种基于太阳能温差发电的供电系统的DC-DC变换器控制原理图；
图4为本发明一种基于太阳能温差发电的供电系统的DC-DC变换器的占空比D和功率传输曲线图；
图5为本发明一种基于太阳能温差发电的供电系统的槽式抛物面反射聚光镜聚光光路示意图。
其中，1、散热器，2、扁平热管，3、托架、4、步进电机，5、转轴，6、支架，7、槽式抛物面反射聚光镜，8、集热体，9、石棉，10、温差发热器。
具体实施方式
本发明公开了一种基于太阳能温差发电的供电系统，是一种智能化、模块化、机械化的系统，太阳能温差发电装置属于固态能量转换过程，将槽式抛物面聚光集热技术与温差发电技术结合，使用清洁无污染太阳能作为热源，采用冬季自然冷资源降温，本装置能达到聚光集热目的，集热板中心位置能流密度分布最高且均匀，太阳能温差发电技术投资及使用费用较低。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚和详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1至图5，本发明实施例提供的一种基于太阳能温差发电的供电系统。
如图1所示，一种基于太阳能温差发电的供电系统，包括检测控制模块、低谷时段充电回路和温差发电回路，所述低谷时段充电回路包括固态继电器和整流降压电路，所述温差发电回路包括温差发电装置、蓄电池组、DC-DC变换器，温差发电装置产生的电能在蓄电池组中储存，市电网络通过固态继电器与整流降压回路连接，经过直流降压处理后接入蓄电池组中，即温差发电装置和市电网络均可向蓄电池组进行电能储存，蓄电池组所储存的电能通过固态继电器与DC-DC变换器连接，经电压转换处理后接入用户负载进行使用；同时，市电网络通过固态继电器与用户负载连接，当蓄电池组电能不足时，由市电网络进行供电；所述检测控制模块同时与蓄电池组以及各个固态继电器连接，检测控制模块实时检测蓄电池电压，根据工作时段，通过控制固态继电器的状态进行供电回路的选择；检测控制模块检测市电网络的状态，并将市电网络的状态反馈到蓄电池组中，蓄电池组根据市电网络所反馈的状态通过固态继电器和DC-DC变换器将电能输送用户负载，检测控制模块控制蓄电池输送到用户负载的电能输送流量，蓄电池是温差发电与电网供电系统中的关键设备，蓄电池容量计算公式：
C＝(D×F×P0)/(L×U×Ka)
式中，C为蓄电池容量，A·h；D为最长日照时间，h；F为放电效率修正系数；P0为平均容量，kW；L为电池的保养维护率；U为蓄电池放电深度；Ka为交流回路损失率。
如图2所示，温差发电装置包括槽式抛物面反射聚光镜7，槽式抛物面反射聚光镜7一侧设置有中轴，槽式抛物面反射聚光镜7的焦线上设置有托架3，托架3上由上至下放置有集热体8、温差发热器10、扁平热管2和散热器1，槽式抛物面反射聚光镜7设置于支架6上，支架6一侧设置有步进电机4，步进电机4的转轴与槽式抛物面反射聚光镜7的中轴通过联轴器连为一体，直接转动槽式抛物面反射聚光镜7，步进电机4的转轴方向为南北设置，在竖直面内东西方向转动使槽式抛物面反射聚光镜7跟踪太阳；所述温差发热器10由两组热电模块组件并联而成，每组热电模块组件由20个热电模块串联而成，热电模块的性能参数为电偶臂对数127，开路电压6.4V，内阻2.1Ω，最大匹配功率3.1W，最大耐高温250℃，模块宽度40mm，模块高度4mm；热电模块两面均匀涂覆导热性能良好的硅脂，减少能量散失；热电模块热端从集热体8吸收热量，由热电模块所组成的温差发热器10的空隙处填满石棉9，减少温差发热器10热端散热；温差发热器10热端与集热体8连接，集热体8采用铝合金材料制成，将集热体8的吸热面用粗砂纸简单打磨处理后涂上太阳能选择性涂层，提升光热转换效率；所述集热体8表面罩上透明玻璃，以减少空气对流散热损失，温差发热器10冷端采用扁平热管2加热。
所述散热器1为翅片状，翅片状散热器1利用北方冬季自然冷资源加大扁平热管2两端温差，温差发热器10的冷热端产生温差输出电能。扁平热管2蒸发端与温差发热器10冷端连接，扁平热管10冷凝端与散热器1连接，扁平热管2两端存在温差时，蒸发段液体会迅速汽化，将热量高速带向冷凝段，两端温差越大，蒸发速度越快，在冷凝段凝结液化后，通过毛细作用流回蒸发段，不断将热量带向低温端，进而降低温差发热器10冷端的温度，提高了温差发热器10两端的温差。
如图3所示的DC-DC变换器控制原理图，DC-DC变换器设置于温差发电装置，实现最大功率点跟踪控制，DC-DC变换器对温差发热器(TEG)10的输出电压、输出电流采样后，通过扰动观察法MPPT控制器，MPPT控制器产生相应调整量，经脉宽调制方式PWM处理，转换成能控制开关器件关断占空比控制量D，驱动开关动作，通过改变D使温差发热器10内阻与负载电阻匹配，温差发热器10保持输出最大功率。
如图4所示，应用单台DC-DC变换器时占空比D和功率Ps、Pa、P1、PL传输特性，它是对应于发电电压ES1为50V时的特性。图4中各参数分别表示：PS是太阳能的输出功率，Pa是变频器的输出功率，PL是阻抗负载的消耗功率，P1是从系统来的功率。从图4可知，无论发电电压如何，根据D参数，Pa都能向电力系统或负载输出。当Pa＝PL＝200W，D＝0.4以下时，PS的不足部分就会由系统P1提供，D超过此值，Pl为负值，表明是多余的功率传向系统。上述情况，即向负载或系统输出时，采用改变变频器相位角θ的方式来反映功率的变化。而系统电流Il的相位是以系统电压el的相位为基准。当Il＜0时，Pa＞PL，温差发电供给负载后的剩余功率输送系统，此时相位角θ超前；当Il＞0时，Pa＜PL，负载欠功率，则由系统提供，此时相位角θ滞后。这种θ变化，得益于变频器输入侧的电容C和与系统连接侧的电抗器Ll。将几百瓦功率型DC-DC变换器设置在太阳温差发电装置上，使其k个并联后，再用一台PWM变频器和电力系统连接而构成变换器模块方式太阳能发电系统。
设定光线波长为546nm，设定入射太阳光线为20万条，光线垂直入射到槽式抛物面反射聚光镜7上，模拟光线追迹后光路图如图5所示，垂直入射到槽式抛物面反射聚光镜7上的光线经反射后汇聚于焦线M上，位于焦线位置平板集热体8接收热能提高，且集热体8平面大部分区域能流分布均匀性较好，中心部分能流密度最大，边缘部分有所衰减；说明本装置可对太阳光实现有效聚光集热，经集热体8吸收后可作为温差发电器10的热源。
综上所述，本发明提供了一种基于太阳能温差发电的供电系统，是一种智能化、模块化、机械化的系统，太阳能温差发电装置属于固态能量转换过程，将槽式抛物面聚光集热技术与温差发电技术结合，使用清洁无污染太阳能作为热源，采用冬季自然冷资源降温，本装置能达到聚光集热目的，集热板中心位置能流密度分布最高且均匀，太阳能温差发电技术投资及使用费用较低，为太阳能光伏发电1/3～1/5，发电成本是太阳能光伏发电1/10～1/20；成本低、使用寿命长、占地面积小、不存在大型机械转动部件、不存在废弃物、低碳环保，亦可为偏远少电地区或远程传感器提供新供电方式；温差发电装置中添加DC-DC变换器实现最大功率点跟踪控制，达到温差发电器保持最大功率的输出状态；由于任何一方光伏电池功率都能供给电力系统和负载，DC-DC变换器和PWM变频器的结合使用，即使在部分地出现阴天，都不存在太阳电池的供电问题，也没有输出功率的脉动问题，而且电路构成简单。
以上对本发明所提供的一种基于太阳能温差发电的供电系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于太阳能温差发电的供电系统，其特征在于，包括检测控制模块、低谷时段充电回路和温差发电回路，所述低谷时段充电回路包括固态继电器和整流降压电路，所述温差发电回路包括温差发电装置、蓄电池组、DC-DC变换器，温差发电装置产生的电能在蓄电池组中储存，市电网络通过固态继电器与整流降压回路连接，经过直流降压处理后接入蓄电池组中，即温差发电装置和市电网络均可向蓄电池组进行电能储存，蓄电池组所储存的电能通过固态继电器与DC-DC变换器连接，经电压转换处理后接入用户负载进行使用；同时，市电网络通过固态继电器与用户负载连接，当蓄电池组电能不足时，由市电网络进行供电；所述检测控制模块同时与蓄电池组以及各个固态继电器连接，检测控制模块实时检测蓄电池电压，根据工作时段，通过控制固态继电器的状态进行供电回路的选择。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能温差发电的供电系统，其特征在于，所述温差发电装置包括槽式抛物面反射聚光镜(7)，槽式抛物面反射聚光镜(7)的焦线上设置有托架(3)，托架(3)上由上至下放置有集热体(8)、温差发热器(10)、扁平热管(2)和散热器(1)，槽式抛物面反射聚光镜(7)设置于支架(6)上，支架(6)一侧设置有步进电机(4)，步进电机(4)的转轴与槽式抛物面反射聚光镜(7)的中轴连为一体，直接传动槽式抛物面反射聚光镜(7)，步进电机(4)的转轴方向为南北设置，在竖直面内东西方向转动使槽式抛物面反射聚光镜(7)跟踪太阳。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能温差发电的供电系统，其特征在于，所述集热体(8)上设置有温差发热器(10)，温差发热器(10)由两组热电模块组件并联而成，每组热电模块组件由20个热电模块串联而成，且热电模块两面均匀涂上导热性能良好的硅脂，减少能量散失。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能温差发电的供电系统，其特征在于，所述温差发热器(10)热端从集热体(8)吸收热量，温差发热器(10)空隙处填满石棉(9)，减少温差发热器(10)热端散热。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能温差发电的供电系统，其特征在于，所述集热体(8)采用铝合金材料制成，将集热体(8)的吸热面用粗砂纸简单打磨处理后涂上太阳能选择性涂层。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能温差发电的供电系统，其特征在于，所述集热体(8)表面罩上透明玻璃，以减少空气对流散热损失。
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