王立舒，楊孟鋮，李 瑩，張 旭，任家駒，包明軒

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基于微熱管陣列的太陽能溫差發(fā)電組件效率影響因素分析

王立舒，楊孟鋮，李 瑩，張 旭，任家駒，包明軒

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

為了提高太陽能中低溫利用效率，該文將微熱管應(yīng)用于太陽能溫差發(fā)電中，制成太陽能光熱發(fā)電組件，并對(duì)組件光熱轉(zhuǎn)換效率、熱電效率的影響因素進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：集熱器在受到外部環(huán)境、熱損失的影響下，瞬時(shí)熱效率優(yōu)于國(guó)家規(guī)定的太陽能集熱效率；在溫差為30 ℃時(shí)，不同對(duì)數(shù)熱電單元對(duì)轉(zhuǎn)換效率幾乎無影響；溫差越大，熱電對(duì)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換效率影響越大，127對(duì)熱電單元，在溫差為270 ℃時(shí)，提高到6.53%，轉(zhuǎn)換效率要比1對(duì)熱電單元要高出4.12%；相同數(shù)目溫差發(fā)電片采用不同的串并聯(lián)方式，對(duì)發(fā)電效率也有較大影響；負(fù)載電阻低于2 Ω，4片并聯(lián)的輸出功率最大；負(fù)載電阻為1 Ω時(shí)，4片并聯(lián)的輸出功率可達(dá)0.39 W；負(fù)載電阻介于2和15 Ω之間時(shí)，2片串聯(lián)再并聯(lián)的輸出功率最大；負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)，達(dá)到0.52 W；負(fù)載電阻大于15 Ω，4組件串聯(lián)時(shí)其輸出功率最大。

太陽能；發(fā)電；溫度；微熱管；光熱轉(zhuǎn)換效率；熱電轉(zhuǎn)換效率；熱電對(duì)數(shù)

0 引 言

在能源的利用方式中，太陽能是可被直接或間接利用的可再生能源[1]。在現(xiàn)階段太陽能資源的利用中，主要集中在利用太陽能輻射的分散性強(qiáng)、能流密度低的特性上[2]，進(jìn)而產(chǎn)生了聚光以及非聚光2種利用方式[3]。Chávez等[4]在2013年采用平面鏡聚光方式對(duì)聚光型太陽能溫差發(fā)電裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Ali等[5]使用槽式拋物面聚光鏡為真空管集熱管聚光集熱；朗寧等[6]提出了一種利用相變儲(chǔ)能原理的新型太陽能溫差發(fā)電裝置，該裝置采用菲涅爾透鏡聚集太陽光。He等[7]將玻璃真空管熱管太陽能集熱器與溫差發(fā)電模塊組合在一起進(jìn)行分析研究；Zhang等[8]通過太陽能真空集熱管為溫差發(fā)電模塊熱端提供熱源；Lauryn等[9]建立了2個(gè)溫差發(fā)電子系統(tǒng)，一個(gè)僅是溫差發(fā)電器，另一個(gè)采用熱隔離腔來吸收太陽能的太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)。聚光的太陽能利用方式與非聚光利用方式相比，由于需要聚光設(shè)備進(jìn)行聚光，這就導(dǎo)致占地面積較大，發(fā)電組件相對(duì)較少，效率會(huì)相對(duì)降低。非聚光方式主要是為了得到100 ℃以下的熱源，不需要太陽輻射跟蹤設(shè)備，并且非聚光方式多采用平板式集熱器。平板式集熱器由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易于安裝，便于與建筑物結(jié)合，且占地面積較小，運(yùn)行穩(wěn)定。

現(xiàn)階段對(duì)太陽能熱發(fā)電的技術(shù)的應(yīng)用，主要集中于高溫領(lǐng)域的利用。高溫領(lǐng)域的太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有很大的局限性，如使用面積巨大、聚焦比高、跟蹤方式復(fù)雜、控制方式繁瑣、安裝維護(hù)以及運(yùn)營(yíng)成本高、技術(shù)難度大[10]。然而太陽能低溫發(fā)電技術(shù)能有效彌補(bǔ)太陽能高溫?zé)岚l(fā)電的不足，低溫發(fā)電技術(shù)能有效利用太陽能輻射分散性強(qiáng)、能流密度低的特性[11]。微熱管陣列采用有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle），這種循環(huán)為太陽能中低溫利用的熱工轉(zhuǎn)換提供動(dòng)力，保證了熱工轉(zhuǎn)換循環(huán)高效的運(yùn)行，進(jìn)而使太陽能集熱器溫度達(dá)到80～200 ℃。采用微熱管陣列的太陽能溫差發(fā)電，充分利用了太陽能輻射分散性強(qiáng)的特點(diǎn)，將集熱器的面積增大，大大增加了吸熱效率；采用保溫邊框，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的蓄熱，減少輻射以及與環(huán)境的熱對(duì)流[12]。本組件既有平板太陽能集熱器的特性，如易與建筑物結(jié)合、跟蹤方式簡(jiǎn)單，又具有抗凍性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

本文從微熱管陣列的太陽能溫差發(fā)電效率的影響因素方面進(jìn)行試驗(yàn)研究以及仿真分析，探討太陽能輻射、環(huán)境溫度、熱電單元對(duì)數(shù)以及串并聯(lián)方式等因素對(duì)組件的效率影響，為溫差發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 基于微熱管溫差發(fā)電系統(tǒng)

1.1 微熱管陣列

微熱管陣列（圖1）是一種新式平板熱管，由外部薄金屬板和內(nèi)部少量液態(tài)工質(zhì)構(gòu)成。每個(gè)微熱管內(nèi)部有多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的微細(xì)熱管，每根微細(xì)熱管內(nèi)部具有微翅結(jié)構(gòu)。這些微翅不僅增大了熱管直接受熱面積，而且加強(qiáng)了熱量的傳遞[13]。液態(tài)工質(zhì)受熱汽化，汽體在微通道內(nèi)流動(dòng)。汽體遇冷液化，在經(jīng)過重力以及毛細(xì)管力的作用，液體回流，如此循環(huán)往復(fù)，在汽化和液化的過程中，不斷的進(jìn)行吸熱、放熱，使得熱量在微細(xì)熱管內(nèi)不斷傳遞。每根微熱管之間的間壁不僅增強(qiáng)了承壓能力，也提高了傳熱效率，保護(hù)了熱管的結(jié)構(gòu)。由于微熱管是將一次性整壓成型技術(shù)應(yīng)用在整塊鋁板上，制作成的每根熱管都可以獨(dú)立運(yùn)行，一根熱管的損壞不會(huì)影響其他熱管工作，這使得熱管具有良好的運(yùn)行可靠性，整體成型技術(shù)使生產(chǎn)成本要遠(yuǎn)低于銅管、真空熱管等其他熱管[14]。

圖1 微熱管陣列實(shí)物圖及剖面圖

微熱管工作原理如圖2所示，熱管工作時(shí)，蒸發(fā)端液體工質(zhì)汽化，在內(nèi)部微小壓力的作用下，汽體沿著微通道，流向冷凝端，在冷凝端液化放出熱量，液化的液體在毛細(xì)管力和重力的作用下返回蒸發(fā)端，形成整個(gè)傳熱的循環(huán)。

1.蒸汽 2.液體 3.熱管管壁 4.吸熱芯 5.蒸發(fā)端 6.絕熱端 7.冷凝端

在微熱管工作循環(huán)中，包含了2個(gè)相變的過程：液體的汽化和液化過程。如忽略整齊流動(dòng)所需的微小壓差，則微熱管內(nèi)部處于一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。由于微熱管通道極其細(xì)小，并且內(nèi)部的液態(tài)工質(zhì)在相變過程中具有極其嚴(yán)格的飽和壓力，這種飽和壓力致使液態(tài)工質(zhì)的傳熱循環(huán)過程相當(dāng)迅速。忽略液態(tài)工質(zhì)進(jìn)行相變的時(shí)間，可以將微熱管視為均溫體，熱管內(nèi)部的溫度相等[15]。

均溫體在集熱器[16]上的應(yīng)用，不僅能提高冷熱端溫差，而且微熱管可以支撐發(fā)電模塊，保證發(fā)電模塊穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，提高系統(tǒng)的整體效率。

1.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)

微熱管陣列平板太陽能溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，由超白玻璃蓋板、吸熱涂層、微熱管陣列、半導(dǎo)體溫差發(fā)電片（thermoelectric generator，TEG）組件、散熱器以及保溫框構(gòu)成。

1.超白玻璃板 2.吸熱涂層 3.微熱管管陣列 4.預(yù)留水冷聯(lián)接管 5.保溫框 6.半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件 7.散熱器

基于微熱管陣列的平板太陽能溫差發(fā)電具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）本體耐溫范圍?50～170 ℃，可以使用防凍液，即使是東北地區(qū)也可以保證全年的使用；2）集熱器得熱效率為79%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)集熱器；3）微熱管集熱器本體內(nèi)無焊接，微熱管陣列散熱體與恒溫循環(huán)器全干式接觸，無漏水、無結(jié)垢、無爆管等隱患，可以長(zhǎng)期使用；4）采用平板式結(jié)構(gòu)，相較于槽式聚光器，安裝簡(jiǎn)單且占地較小，效率較高。5）發(fā)電效率由半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的數(shù)量進(jìn)行決定，發(fā)電量多少可以根據(jù)不同需要進(jìn)行調(diào)整；6）采用風(fēng)冷或者水冷2種方式，可根據(jù)不同的要求轉(zhuǎn)換、改變散熱方式。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)換效率

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微熱管陣列平板太陽能溫差發(fā)電試驗(yàn)平臺(tái)包括微熱管平板集熱器、發(fā)電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、循環(huán)散熱水箱、水冷導(dǎo)熱銅管、總輻射表、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、濕度傳感器散熱器、太陽光強(qiáng)度傳感器、示波器、電壓表、電流表、計(jì)算機(jī)、滑動(dòng)變阻器。試驗(yàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4a所示。

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，外部的環(huán)境數(shù)據(jù)：風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、太陽輻照度都將由小型氣象站進(jìn)行測(cè)量、收集；微熱管溫差發(fā)電組件包含集熱裝置、發(fā)電組件、以及背部散熱系統(tǒng)；電壓、電流表數(shù)據(jù)由萬用表進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)的平臺(tái)實(shí)物如圖4b所示。

1.循環(huán)散熱水箱 2.水冷導(dǎo)熱銅管 3.微熱管溫差發(fā)電組件 4.總輻射表 5.風(fēng)速、風(fēng)向儀 6.濕度傳感器散熱器 7.太陽光強(qiáng)度傳感器 8.示波器 9.電壓、電流表 10.計(jì)算機(jī) 11.滑動(dòng)變阻器

試驗(yàn)中，所采用的半導(dǎo)體溫差片參數(shù)如表1所示，實(shí)際試驗(yàn)中允許的測(cè)量參數(shù)誤差如表2所示。

表1 溫差發(fā)電片性能參數(shù)

表2 試驗(yàn)周期內(nèi)所測(cè)量參數(shù)允許誤差

2.2 轉(zhuǎn)換效率

2.2.1 光熱轉(zhuǎn)換效率

微熱管平板集熱器的集熱效率是衡量熱特性的重要指標(biāo)。集熱效率測(cè)定[17]采用2種方法：瞬時(shí)法和量熱法。瞬時(shí)法應(yīng)用于穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的開放系統(tǒng)中，量熱法應(yīng)用于封閉系統(tǒng)中，例如：集熱器和一個(gè)保溫良好的儲(chǔ)液容器（如水箱）相連接構(gòu)成的簡(jiǎn)易封閉系統(tǒng)，可看為穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

經(jīng)過對(duì)比瞬時(shí)法、量熱法以及分析本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本測(cè)試試驗(yàn)為了更加貼合生活實(shí)際，提高效率，采用瞬時(shí)法進(jìn)行測(cè)量[18]。在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行的微熱管平板式太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)的瞬時(shí)熱效率th為實(shí)際獲得的有功功率與組件表面接收的太陽能輻射功率之比

式中為實(shí)際獲得的有用熱功率，W；為發(fā)熱組件總接收面積，m2；為太陽輻照度，W/m2；為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；f為平均工質(zhì)溫度m對(duì)應(yīng)的傳熱工質(zhì)比熱容，J(kgK)；Δ為工質(zhì)蒸發(fā)端與冷凝端溫度差，Δec；e為工質(zhì)蒸發(fā)端溫度，℃；c為冷凝端溫度，℃。

利用最小二乘法對(duì)各個(gè)光熱瞬態(tài)效率進(jìn)行擬合處理，得出光熱組件的瞬時(shí)熱效率th為

式中0為組件冷端溫度和周圍環(huán)境溫度相同時(shí)的效率系數(shù)；為系統(tǒng)總熱損系數(shù)，W/(m2·Κ)；2為組建的歸一化溫差，(m2·Κ)/W；R為組件系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)移因子；為有效透射吸收積；L為均勻吸熱體溫度的集熱器總熱量損失系數(shù)，W/(m2·Κ)；i為系統(tǒng)微熱管蒸發(fā)端溫度，℃；a為環(huán)境溫度，℃。

本次試驗(yàn)在2017年9月20日、23日、27日，10月7日黑龍江哈爾濱東北農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行。在一天中選取5個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)（08:00、10:00、12:00、14:00、16:00）進(jìn)行多次測(cè)量取平均。

2.2.2 熱電轉(zhuǎn)換效率

半導(dǎo)體溫差發(fā)電片熱電單元的伏安特性[19]，如圖5所示。利用歐姆定律[20]，可以得到熱電單元的工作狀態(tài)。

式中為溫差發(fā)電片電流，A；為電動(dòng)勢(shì)，V；i為熱電單元的內(nèi)阻，Ω。半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的電動(dòng)勢(shì)取決于所使用的熱電材料；熱電單元的內(nèi)阻在固定的冷、熱端溫差下工作，內(nèi)阻維持不變[21]。從圖5中可知，在負(fù)載從0增加到無窮大時(shí)，即由短路狀態(tài)向斷路狀態(tài)的過度，回路中的電流和電壓可以表示為

進(jìn)而可得負(fù)載上的電壓為

微熱管溫差發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換[22]效率為

式中為溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率，W；為負(fù)載電阻與內(nèi)阻的比值；pn為2種導(dǎo)體的相對(duì)塞貝克系數(shù)，V/Κ；(HC)為冷熱端溫度差，℃；H為熱端溫度，℃；C為冷端溫度，℃；；為發(fā)電系統(tǒng)的總熱導(dǎo)，不同系統(tǒng)為不同的定值，W/(m·K)；為導(dǎo)體的電阻，Ω；m為熱電單元的內(nèi)部阻值[23]，Ω。

由于條件的限制，熱電效率的影響因素分析通過MATLAB進(jìn)行仿真，假設(shè)環(huán)境溫度28 ℃，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，材料的輻射系數(shù)為0.85[24]，保持熱電單元結(jié)構(gòu)尺寸不變，每個(gè)熱電單元的尺寸為1.0 mm×1.0 mm×1.2 mm，對(duì)1對(duì)、2對(duì)、127對(duì)熱電單元冷熱端隨溫差的變化所引起的輸出功率以及能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行分析。對(duì)不同溫差、不同連接方式下溫差發(fā)電片的發(fā)電特性進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 瞬時(shí)熱效率的影響因素

本次試驗(yàn)外部環(huán)境數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 外部環(huán)境數(shù)據(jù)記錄

試驗(yàn)期間，相應(yīng)日期太陽輻照度的變化如圖6所示，圖中每個(gè)點(diǎn)均取3次測(cè)量的平均值。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)不同環(huán)境溫度a，不同風(fēng)速下的瞬時(shí)熱效率方程使用最小二乘法[25]進(jìn)行擬合處理。將集熱器的瞬時(shí)熱效率th作為縱坐標(biāo)，冷熱端溫差與太陽輻照度比值(ia)/作為橫坐標(biāo)，從而得到瞬時(shí)熱效率的一次曲線，如圖7，其截距為R()，斜率為RL。

由圖7可知，不同環(huán)境下的瞬時(shí)熱效率曲線截距和斜率有較大差別，組件周邊環(huán)境溫度的差異以及風(fēng)速的不同，瞬時(shí)熱效率也不相同。截距0在19 ℃時(shí)可達(dá)到42.8%，在環(huán)境溫度14 ℃，溫度相差較小，截距0相差不大，由于風(fēng)速增大較多，斜率R()增至5.64。將a(19±1) ℃；=0.4 m/s與a(8±1)℃；=0.5 m/s兩者對(duì)比，可見風(fēng)速相近，環(huán)境溫度影響較大；8 ℃時(shí)達(dá)到5.73 W/(m2·Κ)，已經(jīng)接近平板式集熱器的最大熱損值為6 W/(m2·Κ)。這是因?yàn)榻M件系統(tǒng)背面裝有散熱器，與環(huán)境溫度相互接近，而正面只有一塊超白玻璃板以及一層吸熱藍(lán)膜，并沒有采用平板式太陽能所使用的空間間層或其他保溫處理。組件的上表面會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生熱輻射以及熱對(duì)流。由熱對(duì)流、熱輻射性質(zhì)可知，組件周圍環(huán)境溫度越低、風(fēng)速越大，輻射以及對(duì)流系數(shù)都會(huì)增加，從而導(dǎo)致熱量的損失增大，光熱轉(zhuǎn)換效率降低。

注：ta為環(huán)境溫度，℃；V為風(fēng)速，m·s-1。

注：ti為系統(tǒng)微熱管蒸發(fā)端溫度，℃。

溫差發(fā)電組件隨太陽輻照度的變化關(guān)系曲線，如圖8所示。圖8a表明，熱損失隨著太陽輻照度的增加而加大，在太陽輻照度低于600 W/m2時(shí)，增長(zhǎng)緩慢；高于600 W/m2時(shí)，增長(zhǎng)速度加快；光熱轉(zhuǎn)換效率卻隨著太陽輻照度的增加而呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，近似于反比關(guān)系。隨著太陽輻照度的增加，組件熱端溫度上升，并且熱端沒有進(jìn)行相應(yīng)的保溫處理，這就造成組件熱端與環(huán)境溫度相差巨大，熱端的熱量損失嚴(yán)重；熱損失的加大，導(dǎo)致太陽能光熱轉(zhuǎn)換的熱量被周圍環(huán)境吸收，進(jìn)而導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)換的速度、效率降低。從圖8a可知，熱損失從17.8%增加到22.3%，光熱轉(zhuǎn)換效率從60.4%逐漸下降到56.2%。

圖8b顯示，隨著太陽輻照度的增加，組件熱端溫度增長(zhǎng)迅速，當(dāng)太陽輻照度達(dá)到1 000 W/m2時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn)。在試驗(yàn)過程中，由于冷端采用風(fēng)冷和水冷加強(qiáng)的散熱方式，同時(shí)熱端的吸熱藍(lán)膜可以起到限制熱對(duì)流、降低熱輻射的作用，熱端溫度提高比冷端要快，冷熱端溫差增大。隨著冷熱端溫差的加大，熱電轉(zhuǎn)換效率也逐漸增大，由原來的0.87%增大到6.57%，熱電轉(zhuǎn)換效率增長(zhǎng)顯著。

圖8 溫差發(fā)電組件隨太陽輻照度的變化關(guān)系曲線

3.2 熱電效率的影響因素

對(duì)熱電效率的影響因素，分別采用仿真對(duì)熱電單元數(shù)量對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響[26]、不同溫差下輸出功率隨負(fù)載電阻的變化、4組件TEG不同連接方式下的發(fā)電特性進(jìn)行分析研究。以及對(duì)2片TEG采用不同串并聯(lián)方式進(jìn)行開路電壓和內(nèi)阻試驗(yàn)測(cè)量分析。

圖9為熱電單元數(shù)量對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響。從圖9a可知，1對(duì)、2對(duì)熱電單元隨溫差的增大，輸出功率沒有太大差別，尤其是在溫差150 ℃以下時(shí)，1對(duì)、2對(duì)輸出功率幾乎無差別；在150 ℃以上時(shí)，隨著溫差越來越大，2對(duì)熱電單元的輸出功率較1對(duì)熱電單元有了細(xì)微的增長(zhǎng)；將127對(duì)熱電單元與1對(duì)、2對(duì)相互對(duì)比，可知熱電單元的數(shù)量的多少對(duì)相同溫差下的輸出功率影響較大。1對(duì)、2對(duì)熱電單元的輸出功率沒有明顯變化，溫差在270 ℃時(shí)其輸出功率約為0.5 W。而127對(duì)熱電單元在270 ℃時(shí)，輸出功率約為4.7 W。圖9b顯示，在溫差30 ℃時(shí)，熱電單元的對(duì)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換效率幾乎沒有影響，隨著溫差的逐漸增大，轉(zhuǎn)換效率變化明顯；尤其127對(duì)熱電單元，在溫差為270 ℃時(shí)，提高到6.53%，比1對(duì)熱電單元的轉(zhuǎn)換效率要高出4.12%。

圖9 熱電單元數(shù)量對(duì)輸出功率和轉(zhuǎn)換效率的影響

由溫差發(fā)電片的性質(zhì)可知，單個(gè)TEG的輸出電動(dòng)勢(shì)以及輸出功率都是有限的，即使冷熱端溫差達(dá)到80 ℃，溫差發(fā)電片的開路電壓也只有3.2 V。首先進(jìn)行預(yù)測(cè)：冷熱端溫差越大，溫差發(fā)電效率越高。通過試驗(yàn)，對(duì)不同溫差下不同負(fù)載的輸出功率進(jìn)行測(cè)量，得出圖10不同溫差輸出功率隨負(fù)載電阻變化曲線。

圖10 不同溫差下輸出功率隨負(fù)載電阻變化曲線

從圖10可知，不同溫差的輸出功率都是先隨著負(fù)載電阻的增大而逐漸增大，當(dāng)達(dá)到某一最大輸出功率后逐漸降低；溫差越大，輸出功率越大，其最值所對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻也變大。若將溫差發(fā)電片的瞬時(shí)功率看成線性阻抗，由最大功率傳輸定理可知，當(dāng)外電路負(fù)載電阻與內(nèi)阻相等時(shí)，輸出功率最大。冷熱端溫差的增加，最大輸出功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻也變大。從圖中可知，溫差變化最明顯的2組，30和150 ℃時(shí)，最大輸出功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻分別是35和56 Ω。

在實(shí)驗(yàn)室中，保持冷熱端溫差不變的情況下，對(duì)2片TEG進(jìn)行串并聯(lián)試驗(yàn)，測(cè)得相應(yīng)的開路電壓和內(nèi)阻，如表4所示。

表4 2片TEG串并聯(lián)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，單個(gè)溫差發(fā)電片TEG，溫差越大開路電壓越大，內(nèi)阻越小；冷熱端溫差相同時(shí)，2片串聯(lián)的開路電壓，略小于單片TEG開路電壓的2倍，并聯(lián)的開路電壓略小于單片TEG開路電壓；2片串聯(lián)的內(nèi)阻大于2倍的單片TEG內(nèi)阻，并聯(lián)方式的內(nèi)阻約為單片內(nèi)阻的一半。實(shí)際使用中，使用溫差發(fā)電片數(shù)量較多，發(fā)電組件的整體內(nèi)阻大小需要根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行優(yōu)化處理，選擇最優(yōu)的連接方式，如全部并聯(lián)、全部串聯(lián)、先并后串、先串后并等[27]，使發(fā)電效率達(dá)到最大化。

圖11為4組件溫差發(fā)電以不同連接方式的特性變化曲線[28]。圖11a為開路電壓與組件冷熱端溫差的變化關(guān)系圖。從圖中分析可知，4種連接方式其開路電壓與冷熱端溫差都近似線性關(guān)系，開路電壓隨溫差的增大而增大。冷熱端溫差相同時(shí)，開路電壓按4片串聯(lián)、2片串聯(lián)再并聯(lián)、3片串聯(lián)再并聯(lián)、4片并聯(lián)依次減小。4片串聯(lián)連接方式的開路電壓隨溫差變化最為明顯。圖11b為輸出功率與冷熱端溫差變化關(guān)系圖，由圖可知，相同溫差下，4片組件串聯(lián)連接時(shí)輸出功率最大，且增大最為明顯。其他3種連接方式隨冷熱端溫差的變化改變不明顯，幾乎沒有變化。

圖11c為輸出電壓與負(fù)載電阻變化關(guān)系圖，由圖可知，4種不同的連接方式下輸出電壓都是隨著負(fù)載增大而增大，然后逐漸趨于平緩。4片串聯(lián)形式，輸出電壓變化較大；隨著負(fù)載電阻的增大，4片串聯(lián)的輸出電壓依次大于4片并聯(lián)、3片串聯(lián)再并聯(lián)、2片串聯(lián)再并聯(lián)的連接方式，在負(fù)載為2 Ω時(shí)，輸出電壓最?。回?fù)載電阻大于11 Ω時(shí)，4片串聯(lián)輸出電壓在4種連接方式中最大；負(fù)載電阻小于11 Ω時(shí)，2片串聯(lián)再并聯(lián)的輸出電壓最大；在特定閉合回路中，負(fù)載電阻增長(zhǎng)到一定值后，開路電壓為定值，輸出電壓增長(zhǎng)逐漸趨于平緩。圖11d為輸出功率與負(fù)載電阻差變化關(guān)系圖，由圖11d可知，在冷熱端溫差為55 ℃、負(fù)載電阻低于2 Ω時(shí)，4片并聯(lián)的輸出功率最大；當(dāng)負(fù)載電阻為1 Ω時(shí)，4片并聯(lián)的輸出功率可達(dá)0.39 W；負(fù)載電阻介于2和15 Ω之間時(shí)，2片串聯(lián)再并聯(lián)的輸出功率最大，負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)，達(dá)到0.52 W；負(fù)載電阻大于15 Ω，4片串聯(lián)的輸出功率最大；負(fù)載電阻為19 Ω時(shí)，4片串聯(lián)的輸出功率為0.44 W。從整體數(shù)據(jù)可知，4片并聯(lián)的輸出功率隨著負(fù)載電阻的增大而減小，最終趨于平緩；4片串聯(lián)的輸出功率增長(zhǎng)速度逐漸減緩；3片串聯(lián)再并聯(lián)以及2片串聯(lián)再并聯(lián)都有一個(gè)最大值，但兩者最大值的負(fù)載電阻不同，由最大輸出功率公式可知，內(nèi)外功率相等時(shí)輸出最大功率，可猜測(cè)當(dāng)最大值出現(xiàn)時(shí)，外電阻與內(nèi)電阻阻值相等或接近。

圖11 4組件溫差發(fā)電不同連接方式的特性變化

本文提出的太陽能溫差發(fā)電裝置所涉及的光熱轉(zhuǎn)換效率、熱電轉(zhuǎn)換效率的影響因素較多。為了提高轉(zhuǎn)換效率，下一步工作將是從提高太陽能輻射、熱端保溫、冷端散熱、加快冷熱端對(duì)熱量的傳導(dǎo)以及熱電轉(zhuǎn)換材料等方面進(jìn)行研究。

4 結(jié) 論

本文提出的基于微熱管陣列的平板式太陽能溫差發(fā)電裝置，通過對(duì)熱端平板式集熱器的設(shè)計(jì)，完成了熱端光熱的轉(zhuǎn)化；冷端采用風(fēng)冷和水冷的散熱方式，加強(qiáng)了散熱；組件內(nèi)部采用微熱管陣列進(jìn)行熱的傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部良好的熱量傳導(dǎo)。在實(shí)現(xiàn)太陽能低溫利用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的影響轉(zhuǎn)換效率因素的分析，結(jié)論如下：

1）組件周圍環(huán)境溫度、風(fēng)速的不同，對(duì)熱輻射以及熱對(duì)流會(huì)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致熱量的損失增大，光熱轉(zhuǎn)換效率降低。熱損失隨著太陽輻照度的增加而增加，在太陽輻照度低于600 W/m2時(shí)，增長(zhǎng)較緩慢；高于600 W/m2時(shí)，增長(zhǎng)速度加快；熱損失從17.8%增加到22.3%，光熱裝換效率從60.4%逐漸下降到56.2%，光熱轉(zhuǎn)換效率卻隨著太陽輻照度的增加而降低，呈現(xiàn)反比關(guān)系。

2）隨著太陽輻照度的增加，組件熱端溫度增長(zhǎng)迅速，當(dāng)太陽輻照度達(dá)到1 000 W/m2時(shí)，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸趨于平穩(wěn)。在試驗(yàn)過程中，由于冷端采用風(fēng)冷和水冷加強(qiáng)的散熱方式，同時(shí)熱端的吸熱藍(lán)膜可以起到限制熱對(duì)流、降低熱輻射的作用，熱端溫度提高比冷端要快，冷熱端溫差增大。隨著冷熱端溫差的加大，熱電轉(zhuǎn)換效率也逐漸增大，由原來的0.87%增大到6.57%，熱電轉(zhuǎn)換效率增長(zhǎng)顯著。

3）冷熱端溫差較低時(shí)，在溫差為30 ℃時(shí)，熱電單元的對(duì)數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換效率幾乎沒有影響，隨著溫差的逐漸增大，轉(zhuǎn)換效率變化明顯，尤其127對(duì)熱電單元，在溫差為270 ℃時(shí)，提高到6.53%，轉(zhuǎn)換效率要比1對(duì)熱電單元要高出4.12%。

4）4片溫差發(fā)電片TEG采取不同的連接方式，不同的負(fù)載電阻都有一個(gè)最大輸出功率。負(fù)載電阻低于2 Ω時(shí)，4片并聯(lián)的輸出功率最大；負(fù)載電阻為1 Ω時(shí)，4片并聯(lián)的輸出功率可達(dá)0.39 W；負(fù)載電阻介于2和15 Ω之間時(shí)，2片串聯(lián)再并聯(lián)的輸出功率最大；負(fù)載電阻為5 Ω時(shí)，達(dá)到0.52 W；負(fù)載電阻大于15 Ω，4組件串聯(lián)時(shí)其輸出功率最大。為獲得最大輸出功率，需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況進(jìn)行連接優(yōu)化，也需對(duì)最大輸出功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤處理。

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Analysis of influencing factors of solar thermoelectric power generation module efficiency based on micro heat pipe array

Wang Lishu, Yang Mengcheng, Li Ying, Zhang Xu, Ren Jiaju, Bao Mingxuan

(150030,)

In order to improve the conversion efficiency of low-temperature utilization in solar energy resources, the micro heat pipe was used in solar thermal power generation to make a solar thermal power generation component, and the factors influencing the light-heat conversion efficiency and the thermoelectric efficiency of the component were analyzed in this article. At present, in the utilization of solar energy resources, this article mainly focused on the characteristics of strong dispersion of solar radiation and low energy density. The micro-thermal-tube-based solar thermal power generation device proposed in this article is a solar energy medium-low temperature utilization device. Solar low-temperature power generation technology can effectively compensate for the shortage of solar high-temperature thermal power generation. Medium-low temperature power generation technology can effectively utilize the characteristics of strong solar radiation dispersion and low energy flow density. And solar low temperature power generation technology can effectively avoid the limitations of high temperature power generation, such as the use of large areas of high temperature areas, high focus ratio, complexity of tracking method and control methods, high operating costs of installation and maintenance, technical difficulties and so on. The solar thermal power generation using the micro heat pipe array fully utilizes the strong dispersion characteristics of the solar radiation, expands the contact area, increases the heat absorption efficiency, and adopts heat preservation treatment to realize heat storage, radiation reduction, and convection with the environment. This module does not only have the characteristics of flat panel solar collectors, such as easy integration with buildings and simple tracking methods, but also has strong frost resistance and stable operation. This article conducted experimental research and simulation analysis on the factors influencing solar thermal differential power generation efficiency of micro heat pipe arrays and discussed the effects of factors such as solar radiation, ambient temperature, thermoelectric unit logarithm, and series-parallel connection mode on the efficiency of the components and made a major difference in temperature difference power generation technology. Scale application provided reference. When the temperature difference was 30 ℃, different logarithm thermoelectric units had almost no effect on conversion efficiency; the greater the temperature difference was, the greater the effect of thermoelectric logarithm on conversion efficiency would be. 127 pairs of thermoelectric units, when the temperature difference was 270 ℃, increased to 6.53%, the conversion efficiency was 4.12% higher than 1 pair of thermoelectric units. The same number of temperature difference power generation chips adopt different series-parallel connection mode, which also has a great influence on power generation efficiency; the load resistance is lower than 2 Ω, and the output power of four parallel circuits is the largest; when the load resistance is 1 Ω, the output power of four parallel circuits can reach 0.39 W; When the load resistance is between 2 and 15 Ω, the output power of the two series and the parallel is the largest; when the load resistance is 5 Ω, the latter one reaches 0.52 W; the load resistance is greater than 15 Ω, and the output power of the four components is the largest when connected in series.

solar energy; generation; temperature; micro heat pipe; photothermal conversion efficiency; thermoelectric conversion efficiency; thermal logarithm

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.024

TM615; TK514

A

1002-6819(2018)-20-0189-08

2018-05-15

2018-07-30

教育部春暉計(jì)劃（Z2012074）；黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

王立舒，教授，博士，博導(dǎo)，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

王立舒，楊孟鋮，李 瑩，張 旭，任家駒，包明軒. 基于微熱管陣列的太陽能溫差發(fā)電組件效率影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(20)：189－196. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.024 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Yang Mengcheng, Li Ying, Zhang Xu, Ren Jiaju, Bao Mingxuan. Analysis of influencing factors of solar thermoelectric power generation module efficiency based on micro heat pipe array[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 189－196. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.024 http://www.tcsae.org