2022年太阳能热电装置的热效率和火用效率分析宣贯 .pdf

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1、第 5 卷 第 11 期 中 国 水 运 Vol.5 No.11 2007 年 11月 China Water Transport November 2007收稿日期： 2007-9-5 作者简介： 赵在理 男（1952-） 武汉理工大学能源与动力工程学院 教授 博士 （430070） 太阳能热电装置的热效率和火用效率分析 赵在理 杨天麒 夏胜雄 摘 要： 本文建立了太阳能热电装置的基本分析模型，运用有限单元法对装置多种工况下的相关参数进行了计算。对装置的热电效率和火用 效率进行了分析。研究结果表明，随着输入太阳能的增大，太阳能热电装置的热电效率明显增大，但 火用 效率基本稳定。 关键词： 太

2、阳能 热电装置 热电效率 火用 效率 中图分类号： F207.7 文献标识码： A 文章编号： 1006-7973（2007）11-0186-03一、引言 太阳能由于其储存的无限性、分布的普遍性、利用的清洁性、经济性等优势，在能源日益匮乏的今天，具有非常广泛的发展空间，已被人类应用到各个不同的领域。在航海领域，为研究和建造绿色环保船舶，太阳能发电有广阔的应用前景。目前，太阳能发电技术有光伏发电和热能发电，热能发电设备也称热电装置，它是将聚焦过的太阳光照射在集热体上， 形成高温端， 并通过半导体温差发电器件进行发电的。由于一般的能量分析无法揭示系统内部存在的能量质的贬值和损耗的本质，在表征系统能

3、量的利用程度方面现得不够全面。因此，本文在能量分析的基础上，对系统能量的“有效能量” 火用 的转变过程进行分析，并运用有限单元法对热电装置不同工作状态下的相关参数进行了计算，得出了热电效率和 火用 效率的变化规律。 二、热效率分析 图 1 是太阳能热电装置的单P-N 结简图。 它主要由集热体和半导体P-N 结组成，P-N 结之间用电导率较高的导流片串联而成。聚焦后的太阳光照射在集热体上，使其温度上升而形成高温端，低温端通过水冷却使其温度保持与环境温度相同。这样，在P-N 结两端会形成温差，根据塞贝克效应，从而产生电动势向外供电。 QrQinQcQoutT1ThTcPNQhRL图 1 热电 P-

4、N 结简图 热电装置的输出功率为负载消耗的功率：LRIP2=（ 1）式中，P输出功率；I回路电流；LR负载电阻。热电 P-N 结热端从集热体吸收的热量为帕尔帖热、焦耳热和传导热的总和1，即： ()chhhTTKRIITQ-+-=2/2（ 2） 式中，hQ进入热电装置的热能；塞贝克系数；hT热端温度；cT冷端温度；R 热电器件内阻；K P-N结总导热系数。 P-N 结的热电效率TE为： hTEQP/=（ 3） 进入装置的太阳能solarQ为： coptgsolarsolarACqQ=（ 4） 式中，solarq为地球表面太阳辐射强度， 取 8352/Wm；gC为聚光比；opt为聚光效率；为集热体

5、材料对全光谱太阳光的吸收率；cA 为集热体上表面面积。 集热体上表面与空气接触，存在对流换热损失： ()fhccTThAQ-=（ 5） 式中，cQ为对流换热损失；h为空气对流换热系数；fT为环境温度，取300K 。 集热体还与外界环境存在辐射换热： ()440fhcrTTCAQ-=（ 6） 式中，0C为绝对黑体辐射系数；为集热体材料发射率。用inQ表示进入发电装置的能量，有 crhinQQQQ+=（ 7） 集热体的热效率c可表示为： inhcQQ /=（ 8） 由此，太阳能热电装置的工作效率为： inTEcQP=?=（ 9） 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -

6、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 第 11 期 赵在理等：太阳能热电装置的热效率和火用效率分析 187 三、 火用 效率分析 设集热体上表面温度为1T， 输入集热器的热量火用inE为：)/1(1TTQEcinin-=（ 10 ）集热器输出的 火用 即为输入热电P-N 结的 火用hE： )/1(hchhTTQE-=（ 11 ） 因此，集热体的火用 效率1e为： )/1()/1 (11TTQTTQEEcinhchinhe-=（ 12 ） 热电转换过程的收益火用xE即为发电装置向负载电阻

7、输出的功率： LxRIPE2=（ 13 ） 由式（ 12 ） 和（ 13 ） 可得，P-N 结热电转换的 火用 效率2e为3： )/1(2hchhxeTTQPEE-=（ 14 ） 由此，太阳能热电装置总的火用 效率e为： )/1 (121TTQPcineee-=?=（ 15 ） 四、计算结果与讨论 由于热电材料的热导率、电阻率和塞贝克系数都是随温度变化的材料参数，通过理论方法很难对热电装置进行较为准确的分析，本文采用有限单元法对其进行计算，以求出效率分析和 火用 分析所需的各个参数。 输入热电装置的能量可以通过不同聚光比来控制，且负载大小对热效率和火用 效率又有影响，为得出热电装置的热效率和

8、火用 效率在不同工况下的变化规律，文中对不同聚光比和负载电阻的多种工况进行了计算。表1 和表 2 分别是负载为0R（热电装置内阻） 、04.1R、02R和03R时的热端温度和回路电流计算结果。 表 1 不同工况下热端温度1T的计算结果 聚光比 Cg负载255075100 125 150 175200R0356.5 408.2455.1 506.0 559.5 617.8 668.6 702.01.4R0361.5 414.7464.4 518.6 575.4 633.8 680.8 710.82R0363.1 418.4471.8 528.2 587.6 645.9 689.8 723.73R

9、0365.4 425.0482.4 542.5 605.4 660.7 697.5 732.7表 2 不同工况下回路电流I的计算结果 聚光比 Cg负载255075100 125 150 175200R04.067.7210.88 13.90 16.35 18.54 20.3221.441.4R03.406.409.0711.58 13.65 15.43 16.7517.662R02.885.437.819.95 11.73 13.24 14.2715.123R02.194.236.147.03 9.17 10.27 10.9811.77计算得出的热效率和火用 效率随聚光比和负载的变化曲线如图

10、27 所示。图2 和图 3 分别为集热体热效率和火用 效率变化曲线，图4 和图 5 分别为 P-N 结的热电转换效率和火用效率变化曲线， 图 6 和图 7 分别为热电装置的热效率和火用 效率变化曲线。 02550751001251501752002258687888990919293949596集热体热效率c/%聚光比Cg RL=R0 RL=1.4R0 RL=2R0 RL=3R002550751001251501752002258687888990919293949596聚光比Cg RL=R0 RL=1.4R0 RL=2R0 RL=3R0集热体火用效率e1/%图 2 集热体热效率随聚光比的变化

11、 图3 集热体的 火用 效率随聚光比的变化 0255075100125150175200225234567891011P-N结热效率TE/%聚光比Cg RL=R0 RL=1.4R0 RL=2R0 RL=3R00255075100125150175200225910111213141516171819202122P-N结火用效率e2/%聚光比Cg RL=R0 RL=1.4R0 RL=2R0 RL=3R0图 4 P-N 结的热效率随聚光比的变化 图5 P-N 结的 火用 效率随聚光比的变化 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -

12、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 188 中 国 水 运 第5 卷 02550751001251501752002252345678910热电装置热效率/%聚光比Cg RL=R0 RL=1.4R0 RL=2R0 RL=3R00255075100125150175200225891011121314151617181920热电装置火用效率e/%聚光比Cg RL=R0 RL=1.4R0 RL=2R0 RL=3R0图 6 热电装置热效率随聚光比的变化 图7 热电装置 火用 效率随聚光比的变化 从图 2 和图 3 中可以看出，

13、集热体的热效率和火用 效率随聚光比的增加变化幅度较小，且都呈先增大后减小的趋势。在同一聚光比下，随着负载的增大，热效率和火用 效率不断降低。还可以看出，相同条件下集热体的热效率和火用 效率几乎相等，这是因为集热体的导热能力很好，其上、下表面温差极小（不超过1K） 。 P-N 结的热效率随聚光比的增加变化比较明显，呈先增加后平缓的趋势，如图4 所示。P-N 结的 火用 效率随聚光比的增加变化缓慢，呈先增加后降低趋势，如图5 所示。比较图4 和图 5，可得负载对效率的影响较其对火用 效率的影响为小，且 P-N 结的热效率和 火用 效率的最大值都发生在负载为1.4 倍0R时。 由于集热体热效率和火用

14、 效率的变化幅度较小，热电装置的热效率和 火用 效率的变化趋势与P-N 结的基本相同，如图6和图 7 所示。由公式（9）和（15 ）可知，装置的总效率为集热体效率和P-N 效率的乘积，且取决于变化较大的那一项。即 P-N 结的热效率和 火用 效率对热电装置总体影响较大，而集热体对总体的影响较为微弱。 五、结论 （ 1） 在考虑热电材料参数随温度变化的情况下，太阳能热电装置的热效率随聚光比的提高先增大，然后趋于平缓，最后略呈下降趋势。 （ 2）在负载电阻LR取0R、04.1R、02R和03R的情况中，以 1.4 倍热电内阻（04 .1R）时的热电效率最高。 （ 3）集热体的热效率和火用 效率基本

15、相同，且变化幅度较小，并且都随着负载的增大而降低。 （ 4）热电装置的热效率和火用 效率的变化趋势与P-N 结的热效率和 火用 效率基本相同，即热电转换过程对整个装置的性能起到决定性作用。 （ 5）随着输入能量的提高，热电装置的火用 效率的变化幅度相对热效率较小。这表明，虽然热电装置的热效率在不断提高，但实际上该装置对有用能量的利用率并没有发生较大的变化。 参考文献 1 贾磊，陈则韶等. 半导体温差发电器件的热力学分析. J.中国科学技术大学学报. 2004. 34：684688 .2 罗运俊，何梓年等. 太 阳能利用技术. 化学工业出版社. 2005.3 Narendra Singh, S.

16、C. Kaushik, R.D. Misra. Exergetic analysis of a solar thermal power system. Renewable Energy.J. 2000(19) ：135143 .4 李伟江，李玉东等 . 低温差下半导体温差发电器火用 分析 . J.能源技术 . 2006. 27：202207 .The Exergy Efficiency Analysis for Solar Energy Thermoelectric Generator Zhao Zaili Yang Tianqi Xia Shengxiong Abstract ：The ba

17、sic model of solar thermoelectric generator is model, Thermoelectric efficiency and exergy efficiency are analyzed. Under different load and various conditions，relative parameters of the generator are calculated by use of finite element method. The result indicate that thermoelectric efficiency incr

18、ease obviously with the increase of the input solar energy; while exergy efficiency changes obscurely. Key words：Solar energy Thermoelectric generator Thermoelectric efficiency Exergy efficiency 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -