CN204304844U

CN204304844U - 低温太阳能聚光集热型半导体温差发电装置

Info

Publication number: CN204304844U
Application number: CN201420770738.1U
Authority: CN
Inventors: 毛佳妮; 江述帆; 杜军燕; 刘德一; 方奇
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2024-12-09

Abstract

本实用新型公开了一种低温太阳能聚光集热型半导体温差发电装置。本实用新型包括聚光模块，由多块菲涅尔聚光透镜阵列封装构成箱式一体化结构。太阳光线自动追踪模块，驱动俯仰步进电机和水平步进电机分别实现高度角-方位角两个自由度方向独立自动追踪；蓄热模块，以钒钛黑瓷复合陶瓷板作为接收太阳辐射热能的基体材料，侧面采用保温隔热材料进行封装固定。半导体温差发电电堆，由若干片半导体片温差发电片串联组成。本实用新型主要通过对太阳光线自动追踪实现光线的高倍聚焦，然后利用导热介质将接收获得的太阳辐射能传导入蓄热模块进行储热，并作为恒定热源提供半导体温差发电堆发电需要的热量输入，最终输出发电量。

Description

低温太阳能聚光集热型半导体温差发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种针对低温区太阳辐射能热-电转化利用的双轴自控追光式太阳能半导体温差发电装置，具体涉及一种利用阵列布置的菲涅尔透镜高倍聚光、并将聚光-集热模块与半导体温差发电模块集成，以充分利用太阳辐射光谱中长波为主辐射能的聚光集热型半导体温差发电系统。

背景技术

目前，就建设规模来看，光伏发电技术虽已获得飞速发展，但现有光-电转换材料的转换效率普遍偏低，仅靠规模化发电造价高、资源耗费大。同时，就市场针对高温区太阳辐射能间接转化发电利用的开发情况来看，传统热-电转换发电技术（即光-热转化产生蒸汽以驱动汽轮机发电），虽已获得广泛推广，但初投资大、运行成本高。此外，已有少数研究机构尝试针对中低温区太阳辐射能进行热-电直接转换发电利用，尽管系统结构相对紧凑、初投资小，但受限于该温区常规使用的几种集热技术的热交换效率普遍偏低而一直发展缓慢。因此，综合技术本身的经济性和节能减排效益来看，如果能将聚光-集热系统与热-电转换系统进行优化集成并实现直接转换发电，不仅有助于进一步提高太阳辐射能中实际光热利用部分辐射能的有效转化率，甚至对于电网无法覆盖的偏远地区，有望成为除光伏发电方式之外、适合单户自给自足的辅助性发电方式之一。

分析太阳辐射光谱的分布特点得到：99%的太阳辐射能量主要集中在可被利用的200～3000nm的波长范围。其中，以紫外和可见光为主的短波部分（波长在200至800nm之间）约占太阳辐射能量的58%，其余以红外光为主的长波部分（波长在800至3000nm之间）约占太阳辐射能量的42%。已有研究表明，利用相关材料将太阳能直接转换为电能的方式有两种：一是利用光-电转换材料界面的光生伏特效应（Photovoltaic effect）的光伏发电技术，可将太阳辐射中短波光波携带的能量直接转换为电能，其关键能量转换元件为光伏电池；二是利用热-电转换材料界面的温差发电效应（Seebeck effect）的热电发电技术（也被称作半导体温差发电技术），可将太阳辐射中长波光波产生的热能直接转换为电能，其关键能量转换元件为半导体温差发电片。可见，光-电转换技术和热-电转换技术这两种重要的太阳能直接发电转换技术均只能在部分光谱范围内有效利用太阳能。此外，相对于传统蒸汽式太阳能光热发电技术而言，实现太阳能热-电直接发电利用的半导体温差发电模块，其本身是一种全固体能量转换器件，无机械传动部件、可靠性高、结构紧凑、初投资和运行成本低、寿命长、无噪音、无环境污染隐患。因此，以最大程度地利用长波为主的太阳辐射热能为前提，开发出针对低温区太阳能高效热-电直接转化利用的太阳能半导体温差发电系统，将有助于促进分散地域能源供给的自给自主。在此基础上，利用光谱分光-反射原理，还可进一步实现光伏发电技术和热电发电技术的复合利用。该复合发电技术，不仅有助于在光伏发电环节有效避免了惯用全光谱直接照射而导致其中长波伴随的发热效应对于太阳能电池板发电效率和使用寿命的不利影响，更为中低温区太阳辐射能的全光谱直接转换利用提供了一条技术实现途径。

尽管太阳辐射能总量可观，但就地球表面单位面积接收的辐射能而言，实际属于低能量密度的分布式能源。换句话说，不但地域分布的差异性显著、而且辐射过程中热能供应具有非稳定性和非连续性。尤其对于以光-热利用为基础的热电发电技术，则更离不开“储能”。为应对上述供能特点，实际应用中需要两类技术支持：(1) 太阳能聚光-集热器；(2)蓄热装置。

综上所述，本实用新型的出发点是以最大限度利用太阳辐射光谱的长波光波为前提，综合考虑影响发电系统效率的内在因素，并以系统发电效率最大化为目标，兼顾技术实现的难度和系统制造成本。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种低温太阳能聚光集热型半导体温差发电装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型包括：

聚光模块，由多块菲涅尔聚光透镜阵列封装构成箱式一体化结构。

太阳光线自动追踪模块，驱动俯仰步进电机和水平步进电机分别实现高度角-方位角两个自由度方向独立自动追踪的机械式追光装置；其中俯仰步进电机装在箱式一体化结构背部，水平步进电机设置在底座上，控制箱式一体化结构的方位。

蓄热模块，以钒钛黑瓷复合陶瓷板作为接收经菲涅尔聚光透镜后的太阳辐射热能的基体材料，侧面采用保温隔热材料进行封装固定，并在复合陶瓷板的内置铜管中充注导热油。

半导体温差发电电堆，由若干片半导体温差发电片串联组成，与所述的钒钛黑瓷复合陶瓷板贴合。

本实用新型主要通过对太阳光线自动追踪实现光线的高倍聚焦，然后利用导热介质将接收获得的太阳辐射能传导入蓄热模块进行储热，并作为恒定热源提供半导体温差发电片发电需要的热量输入，最终输出发电量。

附图说明

图1为本实用新型的基本工作原理示意图；

图2为本实用新型的半导体温差发电模块结构示意图；

图3为本实用新型的整体结构和实际工作示意图；

其中：1、菲涅尔太阳能聚光器；2、钒钛黑瓷复合陶瓷板蓄热模块；3、半导体温差发电堆；4、铝制散热翅片；5、陶瓷片；6、P-N结热电对；7、连接P-N结热电对的铜制导电片；8、冷侧散热风扇； 9、水平角步进电机；10、涡轮减速器；11、俯仰角步进电机。

具体实施方式

本实用新型提出的双轴追光驱动的低温太阳能聚光集热型半导体温差发电装置，具体包括：（1）聚光模块，由多块菲涅尔聚光透镜阵列封装构成箱式一体化结构；（2）太阳光线自动追踪模块，结合时钟控制原理，驱动俯仰步进电机和水平步进电机分别实现高度角-方位角2个自由度方向独立自动追踪的机械式追光装置；（3）蓄热模块，以钒钛黑瓷复合陶瓷板作为接收太阳辐射热能的基体材料和结构材料，侧面采用保温隔热材料进行封装固定，并在复合陶瓷板的内置铜管中充注适量的导热油，实现整体陶瓷板的均温和良好储热；（4）半导体温差发电模块，由若干个P-N结单元热电对组成，利用半导体材料的塞贝克效应且工作在恒定的冷、热源之间，即可实现将热能直接转化为电能。

上述技术方案中，主要结构组件包括：底座、水平和俯仰运动机构、铝制支撑支架、步进电机9、11、涡轮减速器10、PLC控制模块等组件组成。系统运行原理为：首先，通过固定在底座下方的1个水平步进电机，驱动主轴及其支撑轴承相对于底座实现水平转动，同时还带动主轴上方固定半导体温差发电方阵的支架实现整体水平转动；另外，通过固定在主轴上侧的1个俯仰步进电机和涡轮减速器结构，驱动左、右两侧的联轴器转动来带动左、右两侧的半导体温差发电方阵在俯仰方向的转动。

上述技术方案中，主要功能模块包括：控制模块、机械传动模块和操作模块三个部分。其中，控制模块主要由编程器和PLC组成，具体原理为：采用PLC编写时钟计算控制程序，计算太阳所处的经、纬度坐标，输出控制信号来实现步进电机的启停和实时光线跟踪。机械传动模块由步进电机和固定菲涅尔聚光方阵的铝制支撑框架结构组成，具体通过步进电机带动固定菲涅尔聚焦方阵的支架从初始水平角和仰角，按照水平角4°/h和仰角6°/h分别转动（预先设定好了仰角转动滞后于水平转动10秒钟，以避免步进电机同时驱动两个方向转动而导致定位失效和功耗剧增）。当菲涅尔聚光器与太阳光线垂直时，PLC控制中心无移动信号输出。此时，步进电机停止追日驱动，进入等待模式。此外，操作模块由2个常开按钮及其系列参数设定键构成，负责追光装置的自动运行和人机交互切换，便于用户实时调整系统的工作状态和系统复位。

上述技术方案中，人机交互切换模式控制的实现过程，主要通过以下三类执行策略来保证系统的正常运转：首先，在人工启动下，当系统开启时，PLC通过控制模块的日期查询功能，确定当日太阳的具体日出日落时间，如果工作人员在太阳出升前开启系统，系统会进入待机状态；当系统时间等于当天日出时间时，就会全天自动运行。至到日落时间，系统自动复位，回到复位状态；如果工作人员在日出之后启动系统，PLC通过开启步进电机运转，直到与当时当地的时间相匹配，然后自动运行。如果在一天中出现无太阳、阴雨天或出现意外故障，可以通过内置的湿度传感器和光线传感器输出信号到PLC控制中心，发出停止追踪命令，系统会自动运行到复位状态，以减少驱动能耗，等到日出或故障排除时再开启系统，随后系统会自动转到相应的水平角和高度角位置。

上述技术方案中，相对于常用的涂层式太阳能吸收材料，蓄热模块采用的钒钛黑瓷基体，其性能更可靠且尚未发现有性能衰减现象；同时，其阳光吸收率和红外辐射率分别高达0.95和0.9。此外，铜盘管内储存的导热油为理想热载体，其导热效果好、流动状态稳定。

下面结合附图及实例对本实用新型作进一步描述：

在本实例中，如图1和图3所示，选取3行*2列菲涅尔聚光透镜1（直径为120mm、焦距为 300mm、厚度为 3mm 、聚光比为1000、材料为 PMMA）构成了菲涅尔太阳能聚光器，其设计目标为提供80-250℃的聚焦热源温度；选取钒钛黑瓷复合陶瓷板2（由提钒尾渣和普通陶瓷片5按一定配比烧制而成）作为蓄热模块的基体材料和结构材料。为了保证聚光组件和复合陶瓷板之间始终保持合适的聚光距离，侧面采用箱式一体化结构封装固定。

在本实例中，如图2和图3所示，根据可利用的温差范围选用TEG-1-127-1.4-1.6-250型的半导体温差发电片，结构尺寸为40*40*4.18mm，由127对P-N结单元热电对7组成，构成半导体温差发电堆3。同时，将半导体温差发电片以串-并联的混联方式连接，然后涂刷导热硅脂后布置在蓄热模块底板上。为了确保在热-电转换过程中，半导体温差发电堆的冷侧界面温度最好接近甚至低于环境温度，方案采用最为经济且结构紧凑的风冷散热方式，即冷侧散热风扇8，即在温差发电组件的冷侧预留空间布置排气风扇，加强半导体发电片的冷侧铝制散热翅片4与外界环境空气之间的对流换热。

在本实例中，计算各季节具体时刻对应的太阳高度角和方位角，得到19：00之后的太阳高度角为负值，能接受的太阳辐射强度几乎为0，所以确定系统的白天工况时间为6：00-19：00。

根据监测得到的杭州各季节平均太阳辐射强度分别为：过渡季节（春季和秋季）800 W/m²，夏季1000 W/m²，冬季400 W/m²。根据优化计算得到：当选择复合陶瓷板的内置铜盘管管径为5 且管内导热油流速为0.2时，在过渡季节和夏季工况下，均能持续提供半导体温差发电堆95℃-118℃范围的理想工作温差。

在本实例中，1个单元的建造成本不超过2万元/kW，热-电转换利用的温差发电效率达到11%以上。每度电的成本为0.56元/度，相比传统光伏发电或蒸汽式光热发电成本节约了50%以上，经济效益和节能效果显著。此外，随着发电单元的集成使用，系统的发电效率将得到显著提高，发电成本随之大幅度降低。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围不仅局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1. 低温太阳能聚光集热型半导体温差发电装置，其特征在于：包括

聚光模块，由多块菲涅尔聚光透镜阵列封装构成箱式一体化结构；

太阳光线自动追踪模块，驱动俯仰步进电机和水平步进电机分别实现高度角-方位角两个自由度方向独立自动追踪的机械式追光装置；其中俯仰步进电机装在箱式一体化结构背部，水平步进电机设置在底座上，控制箱式一体化结构的方位；

蓄热模块，以钒钛黑瓷复合陶瓷板作为接收经菲涅尔聚光透镜后的太阳辐射热能的基体材料，侧面采用保温隔热材料进行封装固定，并在复合陶瓷板的内置铜管中充注导热油；

半导体温差发电模块，由若干个P-N结单元热电对组成，与所述的复合陶瓷板贴合。