太陽(yáng)能熱電發(fā)電系統(tǒng)性能研究.pdf

1、太陽(yáng)能熱電發(fā)電(Solar thermoelectric generator, STEG)技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)，使熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的新興綠色發(fā)電技術(shù)。與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，熱電發(fā)電技術(shù)具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重點(diǎn)輕、無(wú)噪音、零污染等特點(diǎn)，而太陽(yáng)能又具有獲取無(wú)地域性限制和供能無(wú)限性的優(yōu)勢(shì)，使得STEG技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍工業(yè)、智能建筑等領(lǐng)域。
　　近年來(lái)STEG技術(shù)受到了世界各地學(xué)者的廣泛關(guān)注。雖然國(guó)內(nèi)外的

2、學(xué)者分別采用理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)定和數(shù)值模擬等研究方法對(duì)熱電發(fā)電性能進(jìn)行研究，并取得一系列重要成果。然而，在采用數(shù)值方法探究STEG性能時(shí)，數(shù)學(xué)模型仍存在諸多不足。例如，多數(shù)研究采用零維或一維熱電模型，這兩種模型忽略了熱電器件內(nèi)部的三維溫度分布，無(wú)法耦合溫度場(chǎng)和電勢(shì)場(chǎng)，模型精度難以保證，而且多數(shù)研究均不考慮實(shí)際熱沉或直接將熱沉簡(jiǎn)化處理成等效對(duì)流換熱邊界條件，如此簡(jiǎn)化并不能真實(shí)地反映熱沉對(duì)STEG性能的影響。
　　基于以上研究現(xiàn)狀，本文

3、首先建立了三維穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)能熱電-熱沉耦合數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了熱電發(fā)電過(guò)程中所涉及的主要效應(yīng)，耦合求解了溫度場(chǎng)和電勢(shì)場(chǎng)方程，求解精度高于零維和一維模型，并且可真實(shí)地反映熱沉對(duì)STEG性能的影響。其次，采用此三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，本文研究了冷卻劑流速以及熱沉布置方式對(duì)STEG系統(tǒng)性能影響。結(jié)果表明，熱沉強(qiáng)烈影響STEG系統(tǒng)的性能，當(dāng)采用熱沉布滿(mǎn)整個(gè)系統(tǒng)冷端的傳統(tǒng)模型時(shí)，存在最佳冷卻劑流速，使得STEG系統(tǒng)性能達(dá)到最佳?；谏鲜龇治鲅芯?，文章提出

4、“熱沉通道覆蓋比”這一新概念用于設(shè)計(jì)新型熱沉通道。當(dāng)熱沉通道個(gè)數(shù)的覆蓋比為1/5時(shí)，即熱沉通道只布置在P、N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)冷端時(shí)，不僅可以通過(guò)增大冷卻劑流速來(lái)提升STEG的性能，并且還能適應(yīng)冷卻劑流速的變化，減少熱沉消耗泵功，降低熱沉制造費(fèi)用。
　　最后，在熱沉通道新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了PN結(jié)幾何參數(shù)對(duì)STEG系統(tǒng)性能的影響，包括PN結(jié)對(duì)數(shù)布置，PN結(jié)高度以及PN結(jié)橫截面積。研究結(jié)果表明:當(dāng)STEG系統(tǒng)的熱端太陽(yáng)能