釩鈦黑瓷太陽能家用熱電裝置設(shè)計(jì)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(fā)電技術(shù)進(jìn)行集成，設(shè)計(jì)出家用熱電裝置。測試該裝置的加熱和發(fā)電效果，測試結(jié)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(chǎn)生電流為10.1～1994uA，電壓為45.2～2105mV。

關(guān)鍵詞：太陽能，釩鈦黑瓷，溫差發(fā)電，熱電裝置，設(shè)計(jì)，測試

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

一、引言

太陽能發(fā)電技術(shù)是指將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。就目前而言太陽能發(fā)電技術(shù)主要分為太陽能熱發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電其實(shí)質(zhì)就是指光通過太陽能電池板后將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)[1]。太陽能熱發(fā)電技術(shù)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(chǎn)生水蒸氣，利用水蒸氣驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶發(fā)電機(jī)發(fā)電，另一種是利用溫差發(fā)電技術(shù)將太陽輻射的熱能轉(zhuǎn)化為電能[2]。溫差發(fā)電技術(shù)在我國具有巨大的開發(fā)利用潛力，由于我國西部山區(qū)供電困難，而這部分地區(qū)太陽能資源豐富，溫差發(fā)電裝置安裝和維護(hù)相對容易，溫差發(fā)電技術(shù)的開發(fā)和利用將有助于解決山區(qū)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(zhì)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(fù)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(jià)格比較高。由于釩鈦黑瓷具有光熱轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于廣泛推廣等特點(diǎn)綜合比較本實(shí)驗(yàn)選擇釩鈦黑瓷為集熱材料。

二、自制實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

1.自制裝置簡介。通過計(jì)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(jié)構(gòu)是以支撐架為主的結(jié)構(gòu)，板架與地面的傾斜角度為26°，選擇表1所示的銻化鉍發(fā)電片16片組成的溫差發(fā)電模組，導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油。安裝簡圖如圖1所示。

2.水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本裝置水箱導(dǎo)熱裝置選用傳熱性能好的導(dǎo)熱管，在箱體內(nèi)部安裝換熱效率較高的換熱管。需要使用熱水時(shí)，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(fā)生熱交換將冷水加熱。圖2～圖5為水箱的裝配圖和發(fā)電系統(tǒng)放大圖。

如圖2、4中結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)7為油箱與集熱裝置的連接口，其技術(shù)要求為管道連通內(nèi)箱體內(nèi)部，管道與內(nèi)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(nèi)液體流動(dòng)，圖2中結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4為換熱管進(jìn)水口和出水口，結(jié)構(gòu)3為換熱管，其技術(shù)要求為換熱管與內(nèi)外箱體連接部分要求密封，圖3中的結(jié)構(gòu)5為安裝溫度計(jì)套孔，其技術(shù)要求是套孔通向內(nèi)箱體，在與內(nèi)箱體連接封密封，插入溫度計(jì)便于測量內(nèi)箱體液體的溫度，便于隨時(shí)讀數(shù)，結(jié)構(gòu)6為發(fā)電裝置，圖5是其放大圖，結(jié)構(gòu)8與結(jié)構(gòu)12為安裝在溫差發(fā)電模組上面的扇熱器，結(jié)構(gòu)9與結(jié)構(gòu)11為安裝在導(dǎo)熱管上面的發(fā)溫差電模組，結(jié)構(gòu)10為導(dǎo)熱管，結(jié)構(gòu)14為固定散熱片的固定件、發(fā)電模組、導(dǎo)熱管的支撐裝置，結(jié)構(gòu)13為墊片。溫差發(fā)電模組的熱端靠近導(dǎo)熱管，導(dǎo)熱管與溫差發(fā)電模組之間涂有導(dǎo)熱硅脂，溫差發(fā)電模組遠(yuǎn)離導(dǎo)熱管靠近散熱片的一端為冷端。整個(gè)系統(tǒng)工作情況為：油箱中的油通過結(jié)構(gòu)1和圖4中結(jié)構(gòu)7與釩鈦黑瓷集熱板相連接，集熱板加熱油通過結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)7與油箱中的油進(jìn)行熱循環(huán)，通過結(jié)構(gòu)10導(dǎo)熱管將油箱中的熱量導(dǎo)出后將熱量傳入箱體外部與結(jié)構(gòu)10導(dǎo)熱管相連接的結(jié)構(gòu)9和結(jié)構(gòu)11溫差發(fā)電模組的熱端，熱量傳入結(jié)構(gòu)9和結(jié)構(gòu)11的熱端后熱端升溫溫差發(fā)電模組的熱端和冷端形成溫差后發(fā)出電，結(jié)構(gòu)8和結(jié)構(gòu)12為安裝在溫差發(fā)電模組冷端上面的散熱片，其目的是降低溫差發(fā)電模組冷端的溫度，增大溫差發(fā)電模組兩端的溫差提高發(fā)電效率。需要用水是將冷水由結(jié)構(gòu)2或結(jié)構(gòu)4通入結(jié)構(gòu)3換熱管，在結(jié)構(gòu)3中的冷水吸收內(nèi)箱體的油的熱量后被加熱，熱水由結(jié)構(gòu)4或結(jié)構(gòu)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(shù)字萬用表測試集熱板對水箱中水的加熱效果以及發(fā)電效果，測試時(shí)間為夏季13∶00至17∶00。

通過上表的測試數(shù)據(jù)可以看出：

1.發(fā)電模組的連接方式對發(fā)電功率影響較大，并聯(lián)發(fā)電功率比串聯(lián)略大。

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

3.廠家提供的測試數(shù)據(jù)中，當(dāng)溫差為40℃時(shí)，每一個(gè)發(fā)電片發(fā)電功率為0.66w，本裝置共有16個(gè)發(fā)電片，按照廠家的數(shù)據(jù)，發(fā)電功率應(yīng)為10.66w。而本裝置測試的電壓、電流與廠家測試的數(shù)據(jù)相比有很大的差距，其原因是由于廠家測試數(shù)據(jù)時(shí)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(fā)電片的熱端。本裝置的發(fā)電系統(tǒng)中傳熱的銅片與發(fā)電片的熱端相連接處熱量不能很好地傳入發(fā)電片從而影響其發(fā)電效果，因此，改善銅片與發(fā)電片連接處的導(dǎo)熱性能，將有助于提高裝置的發(fā)電效率。

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

四、結(jié)論

通過將釩鈦黑瓷、太陽能熱水器、溫差發(fā)電技術(shù)進(jìn)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(fā)電技術(shù)為原理利用水箱中熱水的富余能量進(jìn)行發(fā)電，自制的太陽能家用熱電裝置水溫可達(dá)75℃，最高發(fā)電功率為2.8×10-3w，若改善裝置中各環(huán)節(jié)的保溫效果，在發(fā)電模組冷端加裝強(qiáng)制冷卻裝置，發(fā)電模組的冷熱端溫差將會(huì)得到提高，發(fā)電效果也能有很好的改善，若能將溫差提高到60℃，發(fā)電片的發(fā)電功率利用率為50%，本發(fā)電模組的發(fā)電功率可達(dá)18w。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙軍，楊昆.燃煤鍋爐集成太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，（S1）：93-100.

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