陽光跟蹤式高效熱電儲能一體機的研究

周翰生

摘要：本項目以提高太陽能的綜合利用效率為主要目標，通過對現有太陽能光伏、光熱系統能量轉化和利用情況的分析，提出了“以光變熱，用熱發電、余熱貯存”的綜合解決方案，并最終形成了太陽能發電、貯熱一體化集成設計的整體理念，以期通過整個系統的協調運行實現太陽能利用的高效率和經濟性。在此基礎上，還對樣機的實際運行效果進行了測試、分析和評估，得到了一些可供借鑒的實驗數據，從而為太陽能在發電、貯熱等方面的綜合利用做出了有意義的探索。

關鍵詞：高效；太陽能；熱電貯能器

一、項目研究背景

在學校開展的“低碳、環保、節能”的社會實踐活動中，我作為高中學生更能體會到現在的中國是一個極度缺少資源的國家，我也從中了解到，太陽能是一種非常環保而且取之不盡，用之不竭的能源，是自然界最豐富的可再生資源。有關專家分析指出，假如把到達地球表面0.1% 的太陽能轉變為電能，轉化率按5% 計，則每年的發電量可相當于目前世界能耗的40倍左右。因此，大力開展太陽能的轉換、儲存和綜合利用研究，對于人類社會的可持續發展具有重大的現實意義。

現在也有許多利用太陽能的設備，如太陽能電池板、太陽能熱水器等。前年，我們家買了一臺海爾牌的太陽能熱水器，經過一段時間的使用后，我發現，太陽能熱水器雖然好用，但是對太陽能的利用太過單一，只能產生熱水，且在冬天時無法吸收到足夠的熱能導致所產生的熱水溫度不夠。通過調查我還發現有另一種太陽能設備就是利用太陽能電池板發電，但它的缺點也是顯而易見的：成本大，轉換效率不高，到現在為止對太陽能的轉換效率一般只有15%左右，而且對太陽能的利用也是單一的，只能產生電能。我就想能不能發明一種既能發電又能產生熱能的太陽能裝置呢？我想能用半導體發電片實現這一目標嗎？于是我就開始了本課題的研究。

二、項目的理論的研究

（1）太陽能光熱技術

太陽能光熱技術是指將太陽光能轉化為熱能并加以利用。典型的光熱應用有太陽能熱水器、太陽能灶和太陽能熱發電。生活熱水在日常生活扮演重要角色，熱水的去污效力是冷水的2到5倍，使用熱水不僅可以提高人們日常生活的質量和衛生水平，而且可以有效地節約水源。常見的太陽能熱水器主要有真空管集熱型和平板集熱型。目前，國內80% 以上采用的是真空管集熱型，而國外則80% 是平板集熱型。真空管集熱型的主要是優點是保溫性能好，缺點是截光面積較小；平板型的主要優點是截光面積大，造價低，缺點是保溫性能差，冬季需要考慮防凍措施。常見的太陽能熱發電主要有塔式熱發電、槽式熱發電、碟式熱發電和菲涅爾式熱發電，都是采用了聚光技術但聚光方式有所不同，思路都是通過聚光產生300℃-500℃的中高溫氣體推動汽輪機轉動進而帶動發電機發電。光熱應用方面，中國的太陽能熱水器應用不僅在總數量上世界第一，而且在普及率上也名列世界前茅，可以從側面反映出中國人民節能環保的意識增強。可以相信，隨著光熱應用的進一步開拓，功能強大的光熱應用系統會有更大的市場。所以，我認為研究光熱的應用也是非常有意義的工作。

（2）半導體溫差發電原理

半導體溫差發電器是一種通過半導體熱電器件把熱能轉換為電能的電源裝置。

通過網絡自學，我知道：熱電轉換材料具有3個基本效應， 即帕爾帖效應、西伯克效應和湯姆遜效應， 這3個效應奠定了熱力學中熱電理論的基礎， 也為熱電轉換材料的實際應用展示了廣闊的前景. 溫差電是利用材料的西伯克效應， 通過載流子（電子和空穴）進行能量的輸運. 該效應于1821年由德國人西伯克發現： 在兩種不同金屬（銻與銅）構成的回路中， 如果兩個接頭處存在溫度差， 其周圍就會出現磁場。通過進一步的實驗， 西伯克發現回路中存在電動勢。西伯克效應是制作測溫熱電偶、溫差發電和溫差電傳感器的基礎。溫差發電的原理如下圖所示： 將兩種不同類型的熱電轉換材料N和P的一端結合并將其置于高溫狀態， 另一端開路并給以低溫. 由于高溫端的熱激發作用較強， 此端的空穴和電子濃度比低溫端高， 在這種載流子濃度梯度的驅動下， 空穴和電子向低溫端擴散， 從而在低溫開路端形成電勢差。 將許多對P型和N型熱電轉換材料連接起來組成模塊， 就可得到足夠高的電壓， 形成一個溫差發電機. 這種發電機在有微小溫差存在的條件下就能將熱能直接轉化為電能， 且轉換過程中不需要機械運動部件， 也無氣態或液態介質存在， 因此適應范圍廣、體積小、重量輕、安全可靠、對環境無任何污染， 是十分理想的電源。溫差發電的靈活、綠色、安靜和微小體積的特性， 使其可在許多領域發揮重要的作用。

（3）實驗探究

在項目的研究過程中，我想以“熱”作為項目研究的基點，實現“聚熱——熱電轉換——貯熱”設計思路，項目的核心部件采用半導體溫差發電片。于是我重點對半導體溫差發電片進行了實驗探究：

【實驗目的】測定半導體溫差發電片發電電壓與溫差的關系。

【實驗器材】熱電轉換儀，兩個玻璃燒杯，溫度計（兩個），直流穩壓電源。

【實驗原理】溫差發電的原理：將兩種不同類型，的熱電轉換材料 N 和P的一端結合并將其置于高溫環境，另一端置于低溫環境。由于高溫端的熱激發作用較強，此端的空穴和電子濃度比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而在高、低溫兩端形成電勢差。將許多對 P型 N型熱電轉換材料連接起來組成模塊 ，就可得到足夠高的電壓，形成一個溫差發電機。

【實驗數據】首先，將溫差發電裝置在冷水杯與熱水杯中，用數字溫度計先測出冷水的溫度，記錄數據，再將數字溫度計探針上的水珠擦干后放入熱水中，每隔30秒測一次熱水的溫度，及時記錄數據 ；其次，將數字電壓表調到直流擋，將其表筆連接半導體的兩接線處，同時測量半導體輸出電壓，記錄其輸出電壓。將測量出熱水水溫與對應的電壓填入表格中，如果還能將這些數據用坐標描繪出對應圖像就更好。筆者測了一組熱水溫度變化與輸出電壓的數據，如表 1所示，其中冷水溫度為 20.6℃。

【實驗結果】實驗結果說明，水的溫差與發電機輸出的電壓大體上成正比。

三、樣機制作的具體技術路線：

1. 太陽輻射強度雖然可以達到1000w/㎡左右，但單位面積中的光能密度并不大，所具有的光線溫度不高。為保證本項目的實施，采用矩形弧面反射聚光系統確保反射光條落到半導體溫差發電片中央，提高溫差發電片熱端溫度，形成高溫差，從而提高熱電轉換效率。

2.由于季節、氣候、時間等原因太陽能的隨意性較大，太陽強度很不穩定。為了保證本項目的安全運行，采用矩形弧形反射面自動收縮系統，控制反射光條的溫度在200℃左右，確保半導體溫差發電片不會因溫度過高而燒毀。

3.在真空管內加裝金屬螺旋熱交換管道，通過水泵使水在溫差發電機組件、貯水箱內循環，實現熱電貯存；

4.利用Arduino開發模塊，結合光度傳感器、風力傳感器、溫度傳感器，通過程序設計，控制矩形弧形反射面自動收縮與反射面的自動清洗。

5.制做一套小的變焦式太陽能熱電儲能器的原理實驗樣機，達到變焦式太陽能熱電儲能器所必備的發電、蓄電、供熱全部功能。

四、變焦式太陽能熱電儲能器的總體結構及工作原理

1、總體結構

本項目的研究目的是為了發明一種太陽能高效熱電貯能一體機。用半導體溫差發電片通過與以往不同的方式同時得到熱水和電能，提高太陽能利用的效率。為實現上述構想，在本設計中，太陽能高效熱電貯能一體機的總體結構可以劃分為四個分系統（如下圖所示）：

（1）太陽能聚光系統。主要是通過反光板反射聚光投射到真空管上。反光板安裝示意圖。

（2）智能控制系統。為了保證聚光系統正常地發揮作用，自主設計了自動控制系統。

（3）蓄熱系統。由反反射面、真空管、溫差發電機組、螺旋吸熱管、儲熱水箱組成。主要功能是產生熱量并貯存熱水。

（4）蓄電系統。由溫差發電機組、充電控制電路、蓄電池組成。主要功能是發電并貯存于蓄電池中。

2、工作原理：

將反光面對著太陽，陽光照射在矩面弧形的反光面上，反光面將太陽光反射、聚焦到真空管上，管內的螺旋吸熱管將熱量傳給管中水，水通過水泵輸送到溫差發電機組的熱端水冷頭后進入貯水箱，貯水箱中的冷水在水泵的作用下，流經溫差發電機組的冷端后進入真空管內的螺旋吸熱管中加熱，如此不斷循環，在溫差發電機組的冷熱兩端形成溫差，使之發電，并將電能通過充電控制電路儲存到蓄電池中，溫差發電片發電的同時，水被循環加熱貯存在貯水箱中。當溫度傳感器檢測到真空管內的溫度過高時（溫度不能超過200C°），溫度控制器就會啟動步進電機，收縮反射面減少面積，光能量減少，溫度下降，保證真空管不至于燒壞；當溫度傳感器檢測到溫差發電片的溫度過低時，溫度控制器又會啟動步進電機，擴大反射面增加面積，光能量增加，溫度升高，保證溫差發電機組在大溫差下工作，提高熱電轉換效率。當夏天太陽光過于猛烈的時候，貯水箱中的水溫達到設定要求后，會自動切換到補水箱，主要用于熱電轉換，將電能貯存在蓄電池中。

3.實驗樣機測試效果：

由于實驗樣機光反射面積有限，電力輸出功率不大，充電電壓只有13.7V，充電電流勉強維持在1安培左右，功率只有13W。但是其它功能均能正常工作，聚光帶溫度也能達到200度左右，反光板的弧度也能隨太陽光的強弱自行調節，最值得肯定的是該實驗樣機熱交換明顯，貯熱效果好；當半導體熱端溫度達到90度時，冷端溫度能維持在30度左右，冷熱溫差保持在60度左右，大大提高了半導體溫差發電組的熱電轉換效率。如要推廣使用，只需擴大光反射面積，增加半導體溫差發電組模塊即可。

五、項目的主要發明與創新點

本項目整體上看，具有系統集成創新的特點，其創新性主要體現為三點：

（1）同時得到了電能和熱水，提高了太陽能的利用率。矩面弧形的反光板集中陽光，形成一個光帶，光帶溫度高，半導體溫差發熱片二面溫差大，一般在60度以上，有效提高了半導體溫差發電片的熱電轉換效率。

（2）以“熱”作為項目研究的基點，以半導體溫差發電片作為核心部件，實現“聚熱——熱電轉換——貯熱”的設計思路，大大簡化了設計結構，降低了設備成本，有利于大范圍推廣使用。

（3）本項目的自動控制系統。為了保證聚光系統正常地發揮作用。當夏天太陽光過于猛烈的時候，反射面減少，光能量減少，溫度下降，確保真空管不至于因溫度過高而被燒壞，而當冬天太陽光不足時，反射面增加，光能量增加，溫度升高，又可以聚集到更多的太陽能，有效提高半導體溫差發電片的熱電轉換效能。

我國是一個能源生產大國和消費大國，擁有豐富的化石能源資源，但能源的消耗速度比其他國家更快，能源枯竭的威脅可能來得更早、更嚴重。因而，日益增長的對外能源需求造成的能源壓力迫使我們不得不尋找解決能源危機的突圍之路。該項目的研究，即可解決家庭的熱水問題，又可為家庭提供日常生活用電，如果能走入千家萬戶，我相信必將造福整個社會。