釩鈦黑瓷太陽能家用熱電裝置設計及熱電效能測試

馬蘭 謝志軍

摘要：釩鈦黑瓷集熱板作為太陽能熱水器的集熱裝置，與溫差發電技術進行集成，設計出家用熱電裝置。測試該裝置的加熱和發電效果，測試結果表明，自制的家用熱電裝置能將容積為64L的水箱中的水加熱到45～75℃，冷熱端溫差為20～45℃，可產生電流為10.1～1994uA，電壓為45.2～2105mV。

關鍵詞：太陽能，釩鈦黑瓷，溫差發電，熱電裝置，設計，測試

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）23-0100-02

一、引言

太陽能發電技術是指將太陽能轉化為電能的技術。就目前而言太陽能發電技術主要分為太陽能熱發電技術、光伏發電技術。光伏發電其實質就是指光通過太陽能電池板后將光能轉化為電能的技術[1]。太陽能熱發電技術分為兩種，其中一種是利用太陽能作為熱源將水加熱到沸騰產生水蒸氣，利用水蒸氣驅動汽輪機帶發電機發電，另一種是利用溫差發電技術將太陽輻射的熱能轉化為電能[2]。溫差發電技術在我國具有巨大的開發利用潛力，由于我國西部山區供電困難，而這部分地區太陽能資源豐富，溫差發電裝置安裝和維護相對容易，溫差發電技術的開發和利用將有助于解決山區用電問題。目前，用于太陽能集熱的材料主要有金屬、塑料、玻璃等材料。依照吸熱材料板芯的制作材質可以將其分為金屬材料和非金屬材料，其中金屬材料主要包括：剛、鋁、銅等材料，非金屬材料主要包括陶瓷、復合材料以及塑料等材料。按照吸熱效率來說銅的集熱效率高，加工焊接難度不大，但是價格比較高。由于釩鈦黑瓷具有光熱轉換效率、結構簡單、成本低廉、便于廣泛推廣等特點綜合比較本實驗選擇釩鈦黑瓷為集熱材料。

二、自制實驗裝置的設計

1.自制裝置簡介。通過計算釩鈦黑瓷中空板太陽能集熱器面積為6m2，釩鈦黑瓷支撐結構是以支撐架為主的結構，板架與地面的傾斜角度為26°，選擇表1所示的銻化鉍發電片16片組成的溫差發電模組，導熱介質為導熱油。安裝簡圖如圖1所示。

2.水箱內部結構設計。本裝置水箱導熱裝置選用傳熱性能好的導熱管，在箱體內部安裝換熱效率較高的換熱管。需要使用熱水時，向換熱管中通入冷水通過與箱體中被集熱板加熱的油之間發生熱交換將冷水加熱。圖2～圖5為水箱的裝配圖和發電系統放大圖。

如圖2、4中結構1和結構7為油箱與集熱裝置的連接口，其技術要求為管道連通內箱體內部，管道與內箱體連接處密封，在管道伸出外箱體部分與集熱板連接處安裝閥門以控制箱體內液體流動，圖2中結構2和結構4為換熱管進水口和出水口，結構3為換熱管，其技術要求為換熱管與內外箱體連接部分要求密封，圖3中的結構5為安裝溫度計套孔，其技術要求是套孔通向內箱體，在與內箱體連接封密封，插入溫度計便于測量內箱體液體的溫度，便于隨時讀數，結構6為發電裝置，圖5是其放大圖，結構8與結構12為安裝在溫差發電模組上面的扇熱器，結構9與結構11為安裝在導熱管上面的發溫差電模組，結構10為導熱管，結構14為固定散熱片的固定件、發電模組、導熱管的支撐裝置，結構13為墊片。溫差發電模組的熱端靠近導熱管，導熱管與溫差發電模組之間涂有導熱硅脂，溫差發電模組遠離導熱管靠近散熱片的一端為冷端。整個系統工作情況為：油箱中的油通過結構1和圖4中結構7與釩鈦黑瓷集熱板相連接，集熱板加熱油通過結構1和結構7與油箱中的油進行熱循環，通過結構10導熱管將油箱中的熱量導出后將熱量傳入箱體外部與結構10導熱管相連接的結構9和結構11溫差發電模組的熱端，熱量傳入結構9和結構11的熱端后熱端升溫溫差發電模組的熱端和冷端形成溫差后發出電，結構8和結構12為安裝在溫差發電模組冷端上面的散熱片，其目的是降低溫差發電模組冷端的溫度，增大溫差發電模組兩端的溫差提高發電效率。需要用水是將冷水由結構2或結構4通入結構3換熱管，在結構3中的冷水吸收內箱體的油的熱量后被加熱，熱水由結構4或結構2輸出熱水。

三、釩鈦黑瓷太陽能熱電裝置的效果測試

用VC9801A+數字萬用表測試集熱板對水箱中水的加熱效果以及發電效果，測試時間為夏季13∶00至17∶00。

通過上表的測試數據可以看出：

1.發電模組的連接方式對發電功率影響較大，并聯發電功率比串聯略大。

2.發電模組兩端的溫差對發電效率的影響很大。溫差略微提升，發電功率顯著增大。

3.廠家提供的測試數據中，當溫差為40℃時，每一個發電片發電功率為0.66w，本裝置共有16個發電片，按照廠家的數據，發電功率應為10.66w。而本裝置測試的電壓、電流與廠家測試的數據相比有很大的差距，其原因是由于廠家測試數據時是將熱水裝入塑料袋，然后將裝有熱水的塑料袋直接貼在發電片的熱端。本裝置的發電系統中傳熱的銅片與發電片的熱端相連接處熱量不能很好地傳入發電片從而影響其發電效果，因此，改善銅片與發電片連接處的導熱性能，將有助于提高裝置的發電效率。

4.本裝置水箱中水溫最高只能達到75℃，而釩鈦黑瓷中空板中的水溫可以高達102℃，若改善裝置中各環節的保溫效果，水箱中的水可得到升高，若同時在發電模組冷端加裝強制冷卻裝置，發電模組的冷熱端溫差也會得到提高，發電效果必定能有很好的改善。

四、結論

通過將釩鈦黑瓷、太陽能熱水器、溫差發電技術進行集成，利用釩鈦黑瓷集熱板作為太陽能熱水器的集熱裝置，將水箱中的水加熱供家庭使用，再以溫差發電技術為原理利用水箱中熱水的富余能量進行發電，自制的太陽能家用熱電裝置水溫可達75℃，最高發電功率為2.8×10-3w，若改善裝置中各環節的保溫效果，在發電模組冷端加裝強制冷卻裝置，發電模組的冷熱端溫差將會得到提高，發電效果也能有很好的改善，若能將溫差提高到60℃，發電片的發電功率利用率為50%，本發電模組的發電功率可達18w。

參考文獻：

[1]趙軍，楊昆.燃煤鍋爐集成太陽能熱發電系統經濟性分析[J].中國電機工程學報，2012，（S1）：93-100.

[2]劉芳芳，展長虹，康健，武岳.寒區屋頂太陽能設備調查與集成設計分析[J].哈爾濱工業大學學報，2016，（02）：163-166.