基于微熱管陣列的太陽能溫差發電系統優化

王立舒，文競晨，王錦鋒，劉 勃，喬帥翔，馬云飛

基于微熱管陣列的太陽能溫差發電系統優化

王立舒，文競晨，王錦鋒，劉 勃，喬帥翔，馬云飛

（東北農業大學電氣與信息學院，哈爾濱 150030）

溫差發電技術因為具有無噪音、無污染物排放、體積小、質量輕等優點，是當今社會能源利用的科學研究熱點，但其輸出功率過低，傳熱效果較差仍是很大的問題。該文將微熱管應用于低溫下的太陽能溫差發電中，對溫差發電的系統設計進行優化，對其光熱輸出功率、熱電輸出功率較低的問題進行改善，通過采用PLC的雙軸跟蹤和黑鉻鍍金膜，將太陽能吸熱能力提高了5.32%，同時在傳熱與散熱過程中采用液態金屬填充硅脂，讓微熱管陣列在太陽能溫差發電傳熱過程中減少熱損失，讓光熱平均的輸出功率提升2.21%，在熱電轉換過程中，通過采用變長式電導增量法的MPPT，改善功率輸出不穩定，精準度不高的問題，總體的光電輸出功率可達到28.32 W，較之前相比光電輸出功率提高了5.19%，通過對太陽能溫差發電系統的追蹤優化和傳熱結構的改善，完善了光伏板在農業上的應用。

太陽能；發電；光熱輸出功率；熱電輸出功率；液態金屬填充型硅脂；微熱管陣列；MPPT；PLC

0 引 言

太陽能因具有經濟型及清潔無污染性等優點，其開發和利用是各個國家的研究熱點[1]，比較成熟的太陽能發電形式是光伏發電，利用硅光電池板的光生伏打效應將太陽能轉換為電能[2]，已經進入商業化階段，但是近年來遇到發展難題，其電池成本較高，不能達到預期的效果，使人們把目標逐漸轉向太陽能溫差發電技術[3]。自1947年，世界上第一臺溫差發電機得以面世開始，標志著塞貝克效應的實現[4]，到21世紀，熱電材料的耐久性逐漸提高，溫差發電技術的應用領域也越來越廣，開始從航天與軍事等高端領域逐漸向民用領域發展[5]。

國內太陽能溫差發電技術目前還并不是很成熟。郎寧在2015年提出了一種新型太陽能溫差發電裝置[6]，該裝置利用相變儲能原理，采用菲涅爾透鏡來聚集太陽光，聚焦后的太陽光投射到熱管上，將聚焦所得的熱量快速地傳送到相變材料中，再在其冷端采用金屬氫化物進行制冷，從而達到太陽能溫差發電[7]。這種太陽能發電系統普遍在高溫下進行[8]，對太陽能溫差發電的溫度要求比較高，控制及維護復雜[9]，針對這些問題，我們提出了低溫下的集熱型溫差發電微熱管陣列，微熱管與之前相比較有很多優點，如導熱效果好、均溫性、熱二極管特性、熱流密度可變等[10]，可以減少維護和控制上的復雜程度，而液態金屬填充型硅脂和保溫框的使用降低了熱量的損失，提高了輸出功率[11]，同時根據太陽能輻射分散性強的特點，增大集熱器的面積，采用PLC雙軸跟蹤，不但增加了太陽能吸熱率，還提高了表面溫度[12]，在太陽能的溫差發電中應用微熱管陣列，可以在低溫發電技術中有效利用太陽能輻射分散性強、能流密度低的特性[13]，本組件既具有集熱器的特點，例如易于與建筑物結合，簡單的跟蹤模式，同時還具有強大的抗凍性和穩定的操作性，可以總體提高輸出功率[14-15]。

采用微熱管陣列的太陽能溫差發電從光熱、熱電2個方面探究功率的優化，提高了單位面積內的溫差發電功率[16]，為低溫下的溫差發電技術的大規模應用提供參考依據。

1 基于微熱管溫差發電系統的設計

微熱管是一種利用內部工作液體來進行傳熱的元件[17]，工作時，微熱管內部的工作液體受到熱端傳遞的熱量蒸發為氣態，中間的管道將氣態的工作液體傳輸到溫度相差較大的冷端，再將冷卻后得到的液體通過具有毛細作用的過型槽輸送到熱端再次蒸發[18]。

微熱管陣列平板太陽能溫差發電實驗平臺包括微熱管平板集熱器、發電系統、三菱系列PLC-CPU，光照傳感器模塊，溫差發電片，直流發電機，繼電器，散熱系統、散熱水箱、水冷導熱銅管、風速傳感器、風向傳感器、濕度傳感器散熱器、示波器、電壓表、電流表、計算機、滑動變阻器。試驗系統結構圖如圖1所示。

1.循環散熱水箱 2.水冷導熱銅管 3.微熱管溫差發電組件 4.總輻射表 5.風速、風向儀 6.濕度傳感器散熱器 7.太陽光強度傳感器 8.示波器 9.電壓、電流表 10.計算機 11.滑動變阻器 12.PLC上位機 13.光照傳感器 14.電動機

微熱管陣列的太陽能溫差發電由黑鉻鍍金膜，超白玻璃蓋板、微熱管陣列、半導體溫差發電片（technology engineering group）組件、預留水冷銅管，散熱器以及保溫框構成示意圖如圖2所示。

1.黑鉻鍍金膜 2.超白玻璃 3.微熱管陣列 4.液態金屬填充型硅脂 5.半導體溫差發電組件 6.散熱器 7.保溫框 8.預留水冷接管

圖3 試驗平臺實物圖

2 光熱輸出功率優化

2.1 太陽能跟蹤優化

本文的太陽能跟蹤采用PLC控制的視日軌跡跟蹤中的雙軸跟蹤，依據太陽全天位置變化進行實時跟蹤，并在微熱管表面鍍上了黑鉻鍍金膜[19-20]來提高吸熱能力。光照直射角度在光照傳感器上發生偏移時候，PLC控制的視日軌跡跟蹤中的雙軸跟蹤，所產生的光電反饋信號通過計算機輸送給PLC控制器，此時PLC控制步進電機將脈沖信號轉化為角位移動，步進電機調整光照接收裝置的雙軸轉速和相角變化，從而追蹤太陽高度角和方位角的變化，實現對太陽光吸熱的最佳自動跟蹤，提高了光熱的輸出功率[21]。

表1是2018年10月1日到10月8日（每天早上08:00-晚上17:00）以東北農業大學校內某地點為例做太陽光直射高度角和太陽方位角的計算數值的擬合。

背板熱量一部分用于提高溫差發電片熱端溫度，產生電能，則溫差發電片產生電能所消耗的熱量見式（1）。

溫差發電片與背板熱端蒸發段間熱阻損耗的熱量見式（2）。

表1 太陽高度角和方位角數值的近似擬合

背板熱端傳熱過程中由于自身熱阻損耗的熱量hp見式（3）。

系統產生的可利用熱能見式（4）。

系統的熱功率見式（5）。

圖4是不同光照強度下的跟蹤與非跟蹤的熱損失及溫度對比。由圖4可知，在300～800 W/m2范圍內，跟蹤與非跟蹤的背板溫度都隨著光照強度的增加而升高，但跟蹤相比較于非跟蹤，最高溫度可達到56 ℃，相比于非跟蹤增長了約2.62%，背板的吸熱能力提高了5.32%，同樣溫度與熱損失也不斷增加，為解決熱損失較大的問題，下文中引用了液態金屬填充型硅脂，來改善熱量損失的問題，總體來說，太陽能跟蹤的精度得到很大的改善，光熱輸出功率得到了一定程度的提升。

2.2 傳熱結構優化

為改善太陽能跟蹤過程中，背板熱損失嚴重的問題，在溫差發電的微熱管陣列中采用新型的液態金屬填充型硅脂[22-23]，提高光熱輸出功率。

導熱系數將影響溫度分布，在單位時間內傳輸的熱量稱為熱流，熱流與導熱系數的關系如式（6）[20]。

比較不同時間下的溫差發電裝置和液態金屬填充型硅脂微熱管陣列的輸出功率情況，如圖5所示。

圖5 溫差發電裝置和液態金屬填充型硅脂下的微熱管陣列的輸出功率對比圖

溫差發電裝置與金屬填充型硅脂微熱管陣列瞬時輸出功率的變化情況都為先上升后下降，瞬時輸出功率最低點是17:00，此時太陽光強度較低，熱端溫度低，常規的瞬時輸出功率此時只有3.32 W，而液態金屬填充型硅脂的瞬時輸出功率提升了1.2%，輸出功率達到4.34 W，13:00到14:00光照強度較強，增長速度較快，增長了約2.31%，14:00熱端溫度達到最高，通過使用液態金屬填充型硅脂減少了熱損失，把液體金屬填充型硅脂的輸出功率提升到22.02 W。通過計算總體的輸出功率可以提升2.21%左右，說明液態金屬填充型硅脂可以提高光熱的輸出功率。

3 熱電優化

3.1 應用溫差發電的太陽能MPPT系統優化

本研究引用的太陽能最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制算法是變步長電導增量法，因為電導增量法常應用于小功率系統的非線性檢測中。可提高檢測速度和精度，確保了溫差穩定輸出末端電壓值，一般采用增長或縮短步長的方式，因此電導增量法常應用于小功率系統的輸出控制中。提高了檢測速度和精度，確保了溫差發電或縮短步長的方式[24]得到了廣泛應用，其工作原理：搭建Boost電路，控制微熱管陣列兩端的電壓數值（改變占空比），使跟蹤最大輸出功率[25]。

設處的斜率是0，則此時

3.2 MPPT電路仿真分析

結合太陽能溫差發電微熱管陣列的MPPT整體結構的仿真電路，如圖6所示，主要Boost設計電路，MPPT控制，最大功率點追蹤部分在Matlab中仿真。

圖7為光照強度與溫度均迅速變化時，變步長電導增量法MPPT仿真下輸出的電壓、電流的變化情況。

由圖可見光照強度隨溫度均迅速變化時，變步長電導增量法MPPT仿真下輸出的電壓、電流變化不大，觀察Boost主電路，新型變步長電導增量法輸出功率穩定時，其占空比的波形幾乎沒變化，整體電路的功率損耗也不大，所以新型變步長電導增量法的應用能明顯地減小功率振蕩范圍，從而有效地提高了溫差發電中光伏的能源利用率。

注：Ipv為輸出電流；Upv為輸出電壓；Uo為電路輸出電壓Boost。

注：Ud為Boost電路占空比信號；Ppv溫差發電片的輸出功率。

微熱管陣列在光照條件為1 kW/m2，=20 ℃下的功率變化情況依照圖8所示。

圖8 溫差發電微熱管陣列變步長電導輸出功率變化

由圖8可見，改進型變步長電導增量法的仿真波形，一開始便使變步長跟蹤過程的平均步長較長，系統的跟蹤速度得到較大提高，相比于不使用變步長電導增量法，變步長電導增量法可將系統啟動時間由原來的60 ms縮短為35 ms，并且可以讓輸出功率迅速達到穩定狀態，能夠使系統穩定的跟蹤到MPPT。

4 光電數據分析

溫差發電片微熱管陣列系統光-電瞬時輸出功率在2018年10月1日到10月8日（每天早上08：00-晚上17：00）的變化情況如圖9所示。

由圖9可知，隨著溫度不斷的變化，試驗得到的光-電輸出功率均是成線性緩慢增長后降低，從11:00到14:00，功率提升速度比較快，尤其在14:00時，太陽光照強度較大，通過利用PLC追蹤與液態金屬填充型硅脂提高了光熱輸出功率，讓光熱輸出功率達到最大，達到了28.32 W,與常規的溫差發電裝置相比光電輸出功率提高了7.52%，早晚溫度較低，太陽光吸收能力不是很強，但相比于常規的溫差發電裝置，仍有3.57%的小幅度功率提升，總體的平均光電輸出功率到16.61 W，總體的輸出功率提升了5.19%。

圖9 光-電瞬時輸出功率變化情況

5 結 論

本文提出了將PLC雙軸跟蹤，黑鉻鍍金膜，液態金屬填充型硅脂，微熱管陣列應用于低溫的太陽能溫差發電裝置中，改善了溫差發電光電輸出功率不高的問題，實現了從光熱、熱電2方面的功率優化；光熱方面，組件外部通過PLC雙軸和黑鉻鍍金膜來提高，組件內部通過液態金屬填充型硅脂，實現了良好的熱量傳遞，降低了熱量損耗，在算法MPPT方面進行優化，提高熱電輸出功率的穩定性，在東北農業大學校內設置了太陽能溫差發電組件，并進行了數學建模與試驗，以下是得到的結論：

1）微熱管陣列中的太陽能溫差發電對比于集熱型的發電系統，增加了跟蹤系統和黑鉻鍍金膜，能夠根據太陽光的旋轉角度自動調整溫差發電系統中的熱端溫度，讓背板的吸熱能力提高了5.32%，改善了光熱能力較低的問題，滿足低溫下的發電量需求。

2）針對微熱管的太陽能溫差發電系統熱量損耗較大的問題，本文在微熱管陣列組件內部通過液態金屬型硅脂填充，實現了熱量傳遞，降低了熱損失，讓光熱平均的輸出功率提升2.21%。

3）新型的MPPT算法變步長電導增量法，改善了溫差發電中輸出不穩定，啟動速度較慢等問題，大幅度提高了能源的利用率，提高了熱電輸出功率的穩定性。

本文仍需要改進的地方是低溫的溫差的發電功率不是很高，提升效果不是特別的明顯，采用的PLC的雙軸跟蹤系統可能會過于麻煩，可用DCS進行進一步的優化，集熱的微熱管陣列形狀可以進行改進，提高吸熱能力，MPPT的算法也可以進一步優化，提高精準度與輸出功率。

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Optimization of solar thermoelectric power generation components with micro heat pipe array

Wang Lishu, Wen Jingchen, Wang Jinfeng, Liu Bo, Qiao Shuaixiang, Ma Yunfei

(150030,)

Thermoelectric power generation technology is a hotspot of scientific research on energy utilization in today's society because of its advantages of no noise, no pollutant emission, small volume, light weight, etc. However, its output power is too low, and the heat transfer effect is still a big problem. In this paper, the micro-heat pipe was applied to the solar temperature difference power generation under low temperature, and the system design of the thermoelectric power generation was optimized, and the problem of low light-heat output power and low-temperature output power was improved, and the dual-axis tracking and black by PLC were adopted. The chrome-plated gold film increased the solar heat absorption capacity by 5.32%. At the same time, the liquid metal was used to fill the silicon grease during the heat transfer and heat dissipation process, so that the micro heat pipe array could reduce the heat loss during the heat transfer process of the solar temperature difference power generation, so that the light heat was averaged. The output power could be increased by 2.21%. During the thermoelectric conversion process, the MPPT of the variable length conductance increment method improved the instability of the power output and the accuracy was not high. The overall photoelectric output power could reach 28.32 W. Compared with the previous one, the photoelectric output power increased by 5.19%. Through the tracking optimization of the solar temperature difference power generation system and the improvement of the heat transfer structure, the application of photovoltaic panels in agriculture was improved. We have proposed a collector-type thermoelectric micro-heat pipe array at low temperature. The complexity of control, and the use of liquid metal-filled silicone grease and insulation frame reduced heat loss, increased output power, and increased the area of the collector according to the characteristics of solar radiation dispersion. The use of PLC dual-axis tracking not only increased the solar heat absorption rate, but also increased the surface temperature. In the solar temperature difference power generation, the application of the micro heat pipe array could effectively utilize the solar radiation dispersion in the low-temperature power generation technology. Low flow density characteristics, this module had the characteristics of collectors, such as easy to integrate with buildings, simple tracking mode, and also had strong frost resistance and stable operation, which could improve the overall output power. Solar temperature difference power generation using micro-heat pipe arrays explored power optimization from two aspects of photothermal and thermal power, and improved the power generation power per unit area, which provided a reference for large-scale application of temperature difference power generation technology at low temperature. The micro heat pipe was a component that used internal working liquid to conduct heat transfer. During operation, the working liquid inside the micro heat pipe was evaporated into a gaseous state by the heat transferred from the hot end, and the middle pipe transfered the gaseous working liquid to a temperature difference. At the cold end, the liquid obtained after cooling was transported to the hot end by the capillary having a capillary action and evaporated again.

solar energy; power generation; photothermal conversion efficiency; thermoelectric conversion efficiency; liquid metal filled silicone grease; micro heat pipe array; MPPT; PLC

王立舒，文競晨，王錦鋒，劉 勃，喬帥翔，馬云飛. 基于微熱管陣列的太陽能溫差發電系統優化[J]. 農業工程學報，2019，35(22)：251－256. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.030 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Wen Jingchen, Wang Jinfeng, Liu Bo, Qiao Shuaixiang, Ma Yunfei. Optimization of solar thermoelectric power generation components with micro heat pipe array[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 251－256. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.030 http://www.tcsae.org

2019-04-30

2019-10-10

教育部春暉計劃（Z2012074）；黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

王立舒，教授，博士，博導。研究方向為農業電氣化與自動化；電力新能源開發與利用。E-mail：wanglishu@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.030

TK513.4；TG51；TM516

A

1002-6819(2019)-22-0251-06