0 前言
太阳能发电是太阳能利用的一个重要方面,目前人们在太阳能发电方面已经作为大量研究,提出了各种不同的太阳能发电方法,现在应用较多的是太阳能光伏电池发电。这里主要研究的是利用热电偶的热电效应,将热电偶串并联形成发电组件,将其热端采用聚光集热的方法用太阳能集中加热,冷端由空气自然冷却,由此形成一种新型的太阳能发电方式。
1 热电偶发电原理
热电偶发电的基本原理是热电效应。将A和B两种不同的导体首尾相连组成闭合回路,如果两连接点温度(T,T0)不同,则在回路中就会产生热电动势EAB( T,T0) ,形成热电流,这就是热电效应。热电偶就是将A和B两种不同的金属材料一端焊接而成的,A和B称为热电极,焊接的一端是接触热场的T端称为工作端或测量端,也称热端;未焊接的一端(接引线)处在温度T0称为自由端或参考端,也称冷端。
一个热电偶的输出热电动势很小,若要获得较大的输出电动势可将多个热电偶正向串联使用,如图2所示。根据欧姆定律,这时输出电动势为:
2 材料与方法
2.1 热电偶的的选用
目前我国工业上采用的标准化热电偶有四种分别是:镍铬-考铜(E型)、镍铬-镍铝(K型)、铂铑30-铂铑6(B型)、铂铑10-铂(S型)。E型热电偶在同等的温度差条件下产生的热电动势最大,因此在试验中选用E型热电偶。
2.2 补偿导线的使用
若热电偶冷端与热端距离小,由于热传导会使冷端与热端温差减小,影响输出电动势的大小,为了增大热电偶冷端和热端的温差,提高热电偶输出电动势,同时为降低成本试验在热电偶冷端和热端之间加接延伸型补偿导线,增加冷端与热端的距离,补偿导线选用EX型,在保持电势方向一致的情况下,使用氢氧焰焊将热电偶与补偿导线焊接成一体。将多个热电偶正向串联,热端和冷端分别对齐后,绑扎成束作为发电单元,为防止热电偶相互短路,在热电偶上加套绝缘瓷管。
2.3 聚光集热装置
聚光集热装置由直径1. 5m的抛物面反射镜面、热电偶发电单元托盘和设备支架组成,其结构如图3所示。热电偶发电单元托盘位于抛物面反射镜面的焦点上,用于放置热电偶发电单元。绑扎成束的热电偶热端向下放在托盘中,冷端向上处于空气中自然冷却。试验时调整抛物面反射镜面,使镜面正对太阳光方向。
3 结果与分析
试验在2010年5月进行,选择天气晴朗无云、阳光充足的天气,将100个热电偶串联形成一个发电单元,采用反射镜面部分遮光的方式调整发电单元热端温度;试验通过改变发电单元中热电偶的直径、长度、冷、热端温度差及加补偿导线等,观测发电单元的热电动势的变化情况。经过多次试验取得典型试验情况如下:
采用直径为2mm、长度为25 cm的热电偶,通过改变冷、热端温度差进行试验测量所得热电动势数据如图4所示。
采用直径为2mm,长度分别为50 cm和25cm的热电偶进行试验测量所得热电动势数据如下表1所示:
采用直径为2mm,长度为25 cm的热电偶在不加补偿导线和加入50 cm补偿导线时,进行试验测量所得热电动势数据如下表2所示:
采用长度为50 cm,直径分别为2 mm和1. 5mm的热电偶进行试验测量所得热电动势数据如下表3所示:
对以上试验数据进行分析可以看出:利用热电偶发电时,热电偶热端和冷端的温差越大,热电偶输出热电势越大,这两者近于成正比;在其它条件相同情况下,热电偶的热电动势大小受热电偶横截面大小的影响,热电偶横截面越大,输出热电动势越大;在其它条件相同情况下,热电偶的热电动势大小受热电偶长度大小的影响,热电偶长度越小,输出热电动势越大;加补偿导线长度为50cm时比不加补偿导线得到的电压较高,说明加入补偿导线可在一定程度上能提高热电动势。
5 结束语
综上所述,利用太阳能聚光对热电偶热端加热,冷端在空气中自然冷却,应用热电效应进行太阳能聚光集热发电这一技术是可行的,这种发电技术利用绿色能源,对环境无污染,技术难度及设备要求相对简单,可以作为独立的发电装置,也可集中规模使用,若规模使用后与太阳能光伏电池发电相比,可以提高了光密度,节约大量的光伏电池数量,成本有望比太阳能光伏电池发电更低,应用前景广扩。
参考文献
[1] 程军.传感器及实用检测技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.
[2] 王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2009: 106-108.
[3] 刘树民,宏伟.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京:科学出版社, 2006: 62-63.
[4] 吴旗.传感器与自动检测技术[M].北京:高等教育出版社, 2006(P35).
[5] 姜齐荣,张春明,李虹.风能与太阳能发电系统———设计、分析与运行[M].北京:机械工业出版社,2008: 163-165.
[6] 帅科.太阳能重热海洋温差发电系统研究[D].上海:上海交通大学机械与动力工程学院, 2006:13215.
[7] BorsukiewiczG A, NowakW. Comparative analysis ofnatural and synthetic refrigerants in app lication to lowtemperature Clau2sius—Rankine cycle[ J]. Energy,2007, 32 (4) : 3442352.
[8] Saleh B, KoglbauerG, WendlandM, et a.l Workingfluids for low temperature orgaNIc Rankine cycles[J].Energy, 2007, 32 (7) : 1 21021 221.
[9] GB /T 4989—94,热电偶用补偿导线[S].
[10] JB /T 9496—1999,钨铼热电偶用补偿导线[S].
[11] 李芝茹,董希斌,赵小强.可升降太阳能灭虫装置的设计与实现[J].森林工程, 2010, 26(1): 37-40.
作者简介:张涛(1966-),男,副教授,云南大学毕业。主要从事教学,科研。
