太阳能热电发电系统的热效率和（火用）效率研究

【摘要】： 随着人类文明的不断发展，现代社会对电力的需求越来越大。太阳能热电发电是把太阳辐射能转换为电能的发电技术之一，也是最可能引起能源革命、替代常规能源的最为经济的手段之一。它具有可靠性高、无运动部件、无污染、无噪声等优点，是绿色环保的发电方式。随着热电材料优值的发展，太阳能热电发电的前景非常广阔。为此，本文对太阳能热电发电做了一系列的研究，主要从以下几个方面进行了探讨： 首先，从稳态的热传导方程出发，对热电装置的基本单元进行了热力学分析，建立了其数学模型，推导出了输出功率和发电效率的表达式；与此同时，运用有限元软件ANSYS建立了热电基本单元分析模型。分别运用数学模型和有限元模型对相同材料参数和边界条件的情况进行了计算，并对结果进行了比较。 其次，在热电基本单元分析的基础上，运用ANSYS软件建立了太阳能热电装置的实际模型，按照其实际工作状态施加了边界条件，考虑了集热体表面热辐射和自然对流换热的影响，得出了模型的温度场和电势场的分布规律以及热电装置的回路电流、输出功率和热电效率。并对不同输入能量的情况进行了计算，得出了热电性能参数随聚光比的变化规律。 然后，分析了集热体材料参数对热电性能的影响，得出了热电效率和输出功率随集热体吸收率、发射率和热导率的变化规律，并提出了太阳能热电装置集热体应该具备的属性要求。最后，还分析了自然对流、冷端温度及负载等因素对热电性能的影响，并在此基础上找出了影响装置热电性能的主要因素，探讨了提高性能的措施，得出了在当前情况下提高热电性能的可行方案。 最后，建立了太阳能热电装置的(火用)分析模型，在效率分析的基础上对装置的(火用)效率进行了分析。得出了装置(火用)效率随聚光比、集热体材料发射率、集热体材料热导率、自然对流换热、冷端温度和负载的变化规律。 本文主要运用有限元软件ANSYS对太阳能热电装置在不同边界条件和材料参数的情况下进行仿真计算，其分析结果对装置的设计制造具有一定的指导意义。 【关键词】：太阳能 热电装置 输出功率 热电效率 (火用)效率
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 研究现状10-14
• 1.3 本文工作14-16
• 第2章 热能发电相关理论16-26
• 2.1 热电原理16-18
• 2.1.1 赛贝克效应16-17
• 2.1.2 帕尔帖效应17
• 2.1.3 汤姆逊效应17-18
• 2.2 热电材料性能参数18-21
• 2.2.1 赛贝克系数18-19
• 2.2.2 电导率19-20
• 2.2.3 热导率20
• 2.2.4 热电性能优值20-21
• 2.3 热传导理论21-23
• 2.3.1 热传导微分方程21-22
• 2.3.2 边界条件22-23
• 2.3.3 求解方法23
• 2.4 太阳能热电装置工作原理23-25
• 2.4.1 太阳辐射能量23-24
• 2.4.2 太阳能热电装置24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 太阳能热电装置的分析模型26-50
• 3.1 单P-N结模型26-33
• 3.1.1 数学模型26-29
• 3.1.2 有限元模型29-32
• 3.1.3 理论解与ANSYS解对比32-33
• 3.2 多P-N结模型的有限元分析33-35
• 3.3.1 模型与相关参数33
• 3.3.3 计算结果33-34
• 3.3.4 单P-N结与多P-N结的ANSYS解对比34-35
• 3.3 热电装置实际模型的有限元分析35-48
• 3.4.1 有限元模型35-38
• 3.4.2 实际边界条件38-46
• 3.4.3 热电分析46-47
• 3.4.4 聚光比对热电性能的影响47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 太阳能热电装置性能分析50-62
• 4.1 集热体对性能的影响50-54
• 4.1.1 集热体吸收率50-51
• 4.1.2 集热体发射率51-53
• 4.1.3 集热体热导率53-54
• 4.2 自然对流换热对性能的影响54-56
• 4.3 冷端温度对性能的影响56-58
• 4.4 负载对性能的影响58-60
• 4.5 提高热电性能的途径60-61
• 4.6 本章小结61-62
• 第5章 太阳能热电装置(火用)烟效率分析62-76
• 5.1 (火用)分析基本理论62-66
• 5.1.1 (火用)与能62-63
• 5.1.2 (火用)和(火无)63-64
• 5.1.3 能量的转换规律64-65
• 5.1.4 热量(火用)65-66
• 5.2 太阳能热电装置的(火用)分析模型66-69
• 5.2.1 热效率分析66-67
• 5.2.2 (火用)效率分析67-69
• 5.3 (火用)效率的影响因素69-75
• 5.3.1 集热体发射率69-71
• 5.3.2 集热体热导率71-72
• 5.3.3 自然对流换热72-73
• 5.3.4 冷端温度73-74
• 5.3.5 负载74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第6章 结论与展望76-78
• 6.1 结论76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目、发表的论文和参编书籍83

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