太陽能熱電發(fā)電系統(tǒng)性能研究.pdf

1、太陽能熱電發(fā)電(Solar thermoelectric generator, STEG)技術(shù)是一種利用半導體材料的塞貝克效應，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)具有無機械運動部件、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重點輕、無噪音、零污染等特點，而太陽能又具有獲取無地域性限制和供能無限性的優(yōu)勢，使得STEG技術(shù)廣泛應用于軍工業(yè)、智能建筑等領(lǐng)域。
　　近年來STEG技術(shù)受到了世界各地學者的廣泛關(guān)注。雖然國內(nèi)外的

2、學者分別采用理論分析、實驗測定和數(shù)值模擬等研究方法對熱電發(fā)電性能進行研究，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，數(shù)學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，無法耦合溫度場和電勢場，模型精度難以保證，而且多數(shù)研究均不考慮實際熱沉或直接將熱沉簡化處理成等效對流換熱邊界條件，如此簡化并不能真實地反映熱沉對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)太陽能熱電-熱沉耦合數(shù)學模型，該模型考慮了熱電發(fā)電過程中所涉及的主要效應，耦合求解了溫度場和電勢場方程，求解精度高于零維和一維模型，并且可真實地反映熱沉對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STEG系統(tǒng)性能影響。結(jié)果表明，熱沉強烈影響STEG系統(tǒng)的性能，當采用熱沉布滿整個系統(tǒng)冷端的傳統(tǒng)模型時，存在最佳冷卻劑流速，使得STEG系統(tǒng)性能達到最佳?；谏鲜龇治鲅芯浚恼绿岢?/p>

4、“熱沉通道覆蓋比”這一新概念用于設(shè)計新型熱沉通道。當熱沉通道個數(shù)的覆蓋比為1/5時，即熱沉通道只布置在P、N型半導體組成的PN結(jié)冷端時，不僅可以通過增大冷卻劑流速來提升STEG的性能，并且還能適應冷卻劑流速的變化，減少熱沉消耗泵功，降低熱沉制造費用。
　　最后，在熱沉通道新設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文進一步研究了PN結(jié)幾何參數(shù)對STEG系統(tǒng)性能的影響，包括PN結(jié)對數(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STEG系統(tǒng)的熱端太陽能