沙漠地区太阳能半导体制冷空气取水装置的实验性研究

【摘要】：众所周知,在我国西部地区土地沙漠化很严重,沙漠地区缺少水分,植物很难存活,当地人们的日常生活也很受影响。然而沙漠地区虽然白天温度高,湿度低,但是沙漠地区的夜晚湿度大,也就是说,夜晚沙漠空气中含有大量的水蒸气。究竟如何才能在沙漠地区获得水,一直是人们日益关注的问题。本文研究的目的是采用半导体制冷结露的方法从湿度大的空气中获得水分。半导体制冷通过直流电后会出现一端制冷、一端发热,含湿量较高的空气通过制冷片冷端表面,空气中的水分凝结出来。西北地区阳光日照时间长,有充足的的太阳能可供使用,我们利用太阳能光伏发电系统为半导体制冷提供电能,本文提出的沙漠地区采用太阳能驱动半导体制冷从空气中获取水分。 本文主要研究了半导体制冷的原理,半导体制冷的工况,提出了半导体制冷最优的工况——既能保证较小的耗能,又能保证较高的制冷系数。研究了半导体的工作电流与制冷效率、制冷量的关系,通过实验验证最优工况条件下的工作电流。太阳能光伏发电系统是由太阳能电池板、控制器、逆变器、蓄电池组成,其核心成分是太阳能电池板,在地理位置确定的情况下,本文研究太阳能电池摆放的角度对太阳能光伏发电系统的输出功率、输出电压、输出电流的影响。 通过一系列的理论研究和实验结果,我们了解到半导体制冷的最优工况是存在的,在半导体型号确定的情况下,随着制冷片通电电流的增加,制冷片热端温度越来越大,而冷端温度越来越低。但是在通电电流超过一定限度后,制冷片冷端温度会逐步上升。制冷片冷热两端的温度最终稳定的速度很快,能够保证冷热两端持续温度不发生较大波动。 太阳能光伏发电系统的输出电压、断路电压随着电池板摆放角度的变化趋势一致,无论摆放角度如何变化,断路电压总大于输出电压,而太阳能光伏发电系统的输出电流、短路电流随着电池板摆放角度的变化情况相同,随着摆放角度的增加,短路电流总大于输出电流。在摆放角度在30°-60°范围内输出功率明显比其他角度要大,其中太阳能电池板摆放角度为45°时,输出功率最大。 本次试验过程中,我们制作尺寸为0.6m×0.6m×0.4m的半导体制冷箱,制冷箱的材料是有机玻璃,制冷箱外表面铺设外保温材料,制冷箱系统的耗电量为240W。在通电电流为3.5A情况下,型号为TEC1-12706的制冷片达到最优制冷工况。选用额定功率100W的太阳能电池板,电池板在摆放角度为45°,制冷箱在夜晚平均相对湿度为65%环境中,从晚上20：00～次日8：00,可以获得1572g冷凝水。 半导体制冷方法与太阳能吸附式取水方法进行对比,本文介绍一种太阳能吸附式取水设施、取水原理、取水效率,对两种取水方法获得的水量进行比较,太阳能半导体制冷空气取水装置的使用寿命可以达到20年,初投资7275元,总投资14875元,每年平均投资为743.75元。 太阳能半导体制冷取水装置能够获取稳定的凝结水,总投资回报丰厚,使用寿命长,系统稳定,对环境无污染,可以为沙漠绿化提供稳定的水量来源,应该在沙漠地区进行实验性推广使用。 【关键词】：半导体制冷 太阳能光伏发电 最优工况 最佳倾角 取水率
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU991.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 半导体制冷概述12-14
• 1.1.1 半导体制冷的发展12-13
• 1.1.2 半导体制冷的应用13-14
• 1.2 太阳能光伏发电的概述14-15
• 1.2.1 太阳能光伏发电的发展14
• 1.2.2 我国太阳能光伏发电的应用现状14-15
• 1.3 太阳能半导体制冷的优点和缺点15-17
• 1.4 国内外太阳能电池发展现状17-18
• 1.5 沙漠地区气候特点18-20
• 1.6 本课题的研究目标、内容及意义20-21
• 第二章 太阳能光伏发电与半导体制冷基本原理21-31
• 2.1 光伏发电的基本原理21-23
• 2.1.1 太阳能开发利用的现状21
• 2.1.2 光伏电池发电原理21-22
• 2.1.3 太阳能电池板简介22-23
• 2.2 半导体制冷基本原理23-25
• 2.3 半导体制冷片的散热方式25-26
• 2.4 半导体制冷特性分析26-28
• 2.5 电子制冷三种工作状态28-30
• 2.5.1 最大制冷量工况28
• 2.5.2 最大制冷系数工况28-29
• 2.5.3 最优工况29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 太阳能半导体制冷空气取水系统简介31-47
• 3.1 实验系统的设计31-32
• 3.2 制冷元件(热电堆)的选择32-34
• 3.3 太阳能电池电路分析34-35
• 3.4 半导体制冷箱系统设计35-37
• 3.4.1 设计背景35
• 3.4.2 结构设计35-37
• 3.5 半导体制冷片冷凝水计算37-39
• 3.6 半导体制冷箱耗能计算39-41
• 3.6.1 半导体制冷设备实际功率39-40
• 3.6.2 半导体制冷箱散热量计算40-41
• 3.7 太阳能电源系统的选择41-45
• 3.7.1 太阳能电池板的型号选择41-43
• 3.7.2 太阳能控制器型号的确定43
• 3.7.3 蓄电池型号的确定43-44
• 3.7.4 逆变器型号的确定44-45
• 3.8 本章小结45-47
• 第四章 太阳能半导体制冷空气取水器实验分析47-69
• 4.1 工作电流对制冷效果的影响47-59
• 4.2 太阳能电池板放置倾角对输出功率的影响59-65
• 4.2.1 太阳辐射计算模型59-61
• 4.2.2 最佳倾角测试61-65
• 4.3 太阳能半导体制冷装置取水实验65-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 太阳能吸附式取水与太阳能半导体制冷取水的对比69-77
• 5.1 太阳能吸附式空气取水69-71
• 5.1.1 吸附式取水的发展69
• 5.1.2 太阳能吸附式空气取水装置简介69-71
• 5.1.3 太阳能吸附式空气取水装置取水效率分析71
• 5.2 太阳能半导体制冷空气取水实验系统成本分析71-73
• 5.3 半导体制冷取水与吸附式取水的比较73-76
• 5.4 本章小结76-77
• 第六章 总结和展望77-79
• 参考文献79-81
• 攻读硕士学位期间研究成果81-83
• 致谢83

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