一種基於太陽能溫差發電的供電系統的製作方法
2023-06-15 09:16:01 2
本發明涉及太陽能發電領域，尤其涉及一種基於太陽能溫差發電的供電系統。
背景技術：
隨能源短缺與環境汙染問題日益加劇，偏遠地區存在生活用電困難問題，可再生能源開發與利用成為解決能源與環境問題主要手段。在太陽能發電領域，目前較為成熟技術是太陽能光伏發電，利用太陽光譜中波長較短光子使半導體材料產生光生伏特效應將光能直接轉變為電能，但是這種發電方式將大部分太陽能轉化成熱能，工作溫度每升高1℃，光電轉換效率下降3％～5％；將太陽能轉化為電能另一種形式是將太陽輻射產生熱能直接耦合到半導體熱電材料中，利用熱電材料塞貝克效應將太陽熱能直接轉化為電能，這種綠色環保發電方式稱為太陽能溫差發電；這種太陽能發電方式可以使用太陽光全部光譜，發電裝置體積小、成本低、維修簡易，在微功耗用電及遠距離供電領域得到廣泛應用。
中國發明專利cn103375988a公開了一種太陽能溫差發電系統，太陽能溫差發電系統包括：太陽能溫差發電系統，聚光太陽能裝置，金屬光熱轉換裝置，水循環冷卻系統，太陽能吸熱塗料，其特徵是：太陽光和聚光太陽光能照射在塗有太陽能吸熱塗料的金屬光熱轉換裝置上，太陽能吸熱塗料將光能轉化為熱能傳遞給金屬光熱轉換裝置，金屬光熱轉換裝置將熱能傳遞給溫差發電裝置熱端，溫差發電裝置冷端由海水或河水或湖水或池塘水或地下水循環冷卻系統冷卻，溫差發電裝置熱端與溫差發電裝置冷端組成的溫差發電系統將熱量轉換為電能；太陽能溫差發電系統包括：太陽能溫差發電系統，聚光太陽能裝置，太陽能電池板，水循環冷卻系統，其特徵是：太陽光和聚光太陽光能照射在太陽能電池板上，太陽能電池板將太陽光和聚光太陽光能照射光能轉化為電能和熱能，熱能傳遞給太陽能電池板下層溫差發電裝置熱端，溫差發電裝置冷端由空氣或海水或河水或湖水或池塘水或地下水冷卻，溫差發電裝置熱端與溫差發電裝置冷端組成的溫差發電系統將熱量轉換為電能；太陽能溫差發電系統包括：太陽能溫差發電系統，聚光太陽能裝置，太陽能電池板，水循環冷卻系統，其特徵是：太陽光和聚光太陽光能照射在塗有太陽能吸熱塗料的金屬光熱轉換裝置上，太陽能吸熱塗料將光能轉化為熱能傳遞給金屬光熱轉換裝置，金屬光熱轉換裝置將熱量傳遞給溫差發電裝置熱端，溫差發電裝置冷端由海水或河水或湖水或池塘水或地下水循環冷卻系統冷卻，溫差發電裝置熱端與溫差發電裝置冷端組成的溫差發電系統將熱量轉換為電能，太陽光和聚光太陽光能照射在太陽能電池板上，太陽能電池板將太陽光和聚光太陽光能照射光能轉化為電能，太陽能溫差發電系統與太陽能電池板組合成共用水循環冷卻系統和蓄電池的太陽能發電系統。
半導體溫差發電原理是在半導體熱電模塊熱端與冷端存在溫度差情況下產生開路電壓，開路電壓隨溫度差增加而增大，在迴路中加上負載電阻即有電能輸出；利用太陽能為溫差發電模塊提供熱源，北方冬季室外氣溫低，自然資源為溫差發電模塊提供冷源，設計聚光集熱型太陽能溫差發電裝置，改變日光溫室供電方式。
現有太陽能溫差發電裝置中扁平熱管兩端的溫差小，並且扁平熱管的冷凝段通過水系統進行冷卻，水系統進行冷卻的設置增大了太陽能溫差發電的成本；現有太陽能發電還存在對太陽能利用率不高，造成太陽能發電效率低、成本高的問題，因此設計一種能降低成本並能較大程度上利用太陽光的裝置成為太陽能溫差發電的一大目標。
技術實現要素：
本發明公開了一種基於太陽能溫差發電的供電系統，是一種智能化、模塊化、機械化的系統，太陽能溫差發電裝置屬於固態能量轉換過程，將槽式拋物面聚光集熱技術與溫差發電技術結合，使用清潔無汙染太陽能作為熱源，採用冬季自然冷資源降溫，本裝置能達到聚光集熱目的，集熱板中心位置能流密度分布最高且均勻，太陽能溫差發電技術投資及使用費用較低。
本發明是這樣實現的，一種基於太陽能溫差發電的供電系統，包括檢測控制模塊、低谷時段充電迴路和溫差發電迴路，所述低谷時段充電迴路包括固態繼電器和整流降壓電路，所述溫差發電迴路包括溫差發電裝置、蓄電池組、dc-dc變換器，溫差發電裝置產生的電能在蓄電池組中儲存，市電網絡通過固態繼電器與整流降壓迴路連接，經過直流降壓處理後接入蓄電池組中，即溫差發電裝置和市電網絡均可向蓄電池組進行電能儲存，蓄電池組所儲存的電能通過固態繼電器與dc-dc變換器連接，經電壓轉換處理後接入用戶負載進行使用；同時，市電網絡通過固態繼電器與用戶負載連接，當蓄電池組電能不足時，由市電網絡進行供電；所述檢測控制模塊同時與蓄電池組以及各個固態繼電器連接，檢測控制模塊實時檢測蓄電池電壓，根據工作時段，通過控制固態繼電器的狀態進行供電迴路的選擇；
所述溫差發電裝置包括槽式拋物面反射聚光鏡，槽式拋物面反射聚光鏡的焦線上設置有託架，託架上由上至下放置有集熱體、溫差發熱器、扁平熱管和散熱器，槽式拋物面反射聚光鏡設置於支架上，支架一側設置有步進電機，步進電機的轉軸與槽式拋物面反射聚光鏡的中軸連為一體，直接傳動槽式拋物面反射聚光鏡，步進電機的轉軸方向為南北設置，在豎直面內東西方向轉動使槽式拋物面反射聚光鏡跟蹤太陽。
進一步地，所述集熱體上放置的所述溫差發熱器由兩組熱電模塊組件並聯而成，每組熱電模塊組件由20個熱電模塊串聯而成，熱電模塊兩面均勻塗上導熱性能良好的矽脂，減少能量散失。
進一步地，所述溫差發電裝置還包括實現最大功率點跟蹤控制的dc-dc變換器，通過改變佔空比控制量d使溫差發熱器(10)內阻與負載電阻匹配，溫差發熱器(10)保持輸出最大功率。
進一步地，溫差發熱器熱端從集熱體吸收熱量，溫差發熱器空隙處填滿石棉，減少溫差發熱器熱端散熱。
進一步地，集熱體採用鋁合金材料製成，將集熱體的吸熱面用粗砂紙簡單打磨處理後塗上太陽能選擇性塗層，提升光熱轉換效率。
進一步地，所述集熱體表面罩上透明玻璃，以減少空氣對流散熱損失。
進一步地，溫差發熱器冷採用扁平熱管加熱。
進一步地，扁平熱管蒸發端與溫差發熱器熱端連接，扁平熱管冷凝端與散熱器連接，扁平熱管兩端存在溫差，冷凝段凝結液化後，通過毛細作用流回蒸發段。
進一步地，所述散熱器為翅片狀，翅片狀散熱器增大溫差發熱器的散熱面積。
本發明提供的一種基於太陽能溫差發電的供電系統的優點在於：本發明提供了一種基於太陽能溫差發電的供電系統，是一種智能化、模塊化、機械化的系統，太陽能溫差發電裝置屬於固態能量轉換過程，將槽式拋物面聚光集熱技術與溫差發電技術結合，使用清潔無汙染太陽能作為熱源，採用冬季自然冷資源降溫，本裝置能達到聚光集熱目的，集熱板中心位置能流密度分布最高且均勻，太陽能溫差發電技術投資及使用費用較低，為太陽能光伏發電1/3～1/5，發電成本是太陽能光伏發電1/10～1/20；成本低、使用壽命長、佔地面積小、不存在大型機械轉動部件、不存在廢棄物、低碳環保，亦可為偏遠少電地區或遠程傳感器提供新供電方式；溫差發電裝置中添加dc-dc變換器實現最大功率點跟蹤控制，達到溫差發電器保持最大功率的輸出狀態；由於任何一方光伏電池功率都能供給電力系統和負載，dc-dc變換器和pwm變頻器的結合使用，即使在部分地出現陰天，都不存在太陽電池的供電問題，也沒有輸出功率的脈動問題，而且電路構成簡單。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明一種太陽能溫差發電迴路與電網供電系統的流程框圖；
圖2為本發明一種基於太陽能溫差發電的供電系統的溫差發熱器結構示意圖；
圖3為本發明一種基於太陽能溫差發電的供電系統的dc-dc變換器控制原理圖；
圖4為本發明一種基於太陽能溫差發電的供電系統的dc-dc變換器的佔空比d和功率傳輸曲線圖；
圖5為本發明一種基於太陽能溫差發電的供電系統的槽式拋物面反射聚光鏡聚光光路示意圖。
其中，1、散熱器，2、扁平熱管，3、託架、4、步進電機，5、轉軸，6、支架，7、槽式拋物面反射聚光鏡，8、集熱體，9、石棉，10、溫差發熱器。
具體實施方式
本發明公開了一種基於太陽能溫差發電的供電系統，是一種智能化、模塊化、機械化的系統，太陽能溫差發電裝置屬於固態能量轉換過程，將槽式拋物面聚光集熱技術與溫差發電技術結合，使用清潔無汙染太陽能作為熱源，採用冬季自然冷資源降溫，本裝置能達到聚光集熱目的，集熱板中心位置能流密度分布最高且均勻，太陽能溫差發電技術投資及使用費用較低。
下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚和詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。請參閱圖1至圖5，本發明實施例提供的一種基於太陽能溫差發電的供電系統。
如圖1所示，一種基於太陽能溫差發電的供電系統，包括檢測控制模塊、低谷時段充電迴路和溫差發電迴路，所述低谷時段充電迴路包括固態繼電器和整流降壓電路，所述溫差發電迴路包括溫差發電裝置、蓄電池組、dc-dc變換器，溫差發電裝置產生的電能在蓄電池組中儲存，市電網絡通過固態繼電器與整流降壓迴路連接，經過直流降壓處理後接入蓄電池組中，即溫差發電裝置和市電網絡均可向蓄電池組進行電能儲存，蓄電池組所儲存的電能通過固態繼電器與dc-dc變換器連接，經電壓轉換處理後接入用戶負載進行使用；同時，市電網絡通過固態繼電器與用戶負載連接，當蓄電池組電能不足時，由市電網絡進行供電；所述檢測控制模塊同時與蓄電池組以及各個固態繼電器連接，檢測控制模塊實時檢測蓄電池電壓，根據工作時段，通過控制固態繼電器的狀態進行供電迴路的選擇；檢測控制模塊檢測市電網絡的狀態，並將市電網絡的狀態反饋到蓄電池組中，蓄電池組根據市電網絡所反饋的狀態通過固態繼電器和dc-dc變換器將電能輸送用戶負載，檢測控制模塊控制蓄電池輸送到用戶負載的電能輸送流量，蓄電池是溫差發電與電網供電系統中的關鍵設備，蓄電池容量計算公式：
c＝(d×f×p0)/(l×u×ka)
式中，c為蓄電池容量，a·h；d為最長日照時間，h；f為放電效率修正係數；p0為平均容量，kw；l為電池的保養維護率；u為蓄電池放電深度；ka為交流迴路損失率。
如圖2所示，溫差發電裝置包括槽式拋物面反射聚光鏡7，槽式拋物面反射聚光鏡7一側設置有中軸，槽式拋物面反射聚光鏡7的焦線上設置有託架3，託架3上由上至下放置有集熱體8、溫差發熱器10、扁平熱管2和散熱器1，槽式拋物面反射聚光鏡7設置於支架6上，支架6一側設置有步進電機4，步進電機4的轉軸與槽式拋物面反射聚光鏡7的中軸通過聯軸器連為一體，直接轉動槽式拋物面反射聚光鏡7，步進電機4的轉軸方向為南北設置，在豎直面內東西方向轉動使槽式拋物面反射聚光鏡7跟蹤太陽；所述溫差發熱器10由兩組熱電模塊組件並聯而成，每組熱電模塊組件由20個熱電模塊串聯而成，熱電模塊的性能參數為電偶臂對數127，開路電壓6.4v，內阻2.1ω，最大匹配功率3.1w，最大耐高溫250℃，模塊寬度40mm，模塊高度4mm；熱電模塊兩面均勻塗覆導熱性能良好的矽脂，減少能量散失；熱電模塊熱端從集熱體8吸收熱量，由熱電模塊所組成的溫差發熱器10的空隙處填滿石棉9，減少溫差發熱器10熱端散熱；溫差發熱器10熱端與集熱體8連接，集熱體8採用鋁合金材料製成，將集熱體8的吸熱面用粗砂紙簡單打磨處理後塗上太陽能選擇性塗層，提升光熱轉換效率；所述集熱體8表面罩上透明玻璃，以減少空氣對流散熱損失，溫差發熱器10冷端採用扁平熱管2加熱。
所述散熱器1為翅片狀，翅片狀散熱器1利用北方冬季自然冷資源加大扁平熱管2兩端溫差，溫差發熱器10的冷熱端產生溫差輸出電能。扁平熱管2蒸發端與溫差發熱器10冷端連接，扁平熱管10冷凝端與散熱器1連接，扁平熱管2兩端存在溫差時，蒸發段液體會迅速汽化，將熱量高速帶向冷凝段，兩端溫差越大，蒸發速度越快，在冷凝段凝結液化後，通過毛細作用流回蒸發段，不斷將熱量帶向低溫端，進而降低溫差發熱器10冷端的溫度，提高了溫差發熱器10兩端的溫差。
如圖3所示的dc-dc變換器控制原理圖，dc-dc變換器設置於溫差發電裝置，實現最大功率點跟蹤控制，dc-dc變換器對溫差發熱器(teg)10的輸出電壓、輸出電流採樣後，通過擾動觀察法mppt控制器，mppt控制器產生相應調整量，經脈寬調製方式pwm處理，轉換成能控制開關器件關斷佔空比控制量d，驅動開關動作，通過改變d使溫差發熱器10內阻與負載電阻匹配，溫差發熱器10保持輸出最大功率。
如圖4所示，應用單臺dc-dc變換器時佔空比d和功率ps、pa、p1、pl傳輸特性，它是對應於發電電壓es1為50v時的特性。圖4中各參數分別表示：ps是太陽能的輸出功率，pa是變頻器的輸出功率，pl是阻抗負載的消耗功率，p1是從系統來的功率。從圖4可知，無論發電電壓如何，根據d參數，pa都能向電力系統或負載輸出。當pa＝pl＝200w，d＝0.4以下時，ps的不足部分就會由系統p1提供，d超過此值，pl為負值，表明是多餘的功率傳向系統。上述情況，即向負載或系統輸出時，採用改變變頻器相位角θ的方式來反映功率的變化。而系統電流il的相位是以系統電壓el的相位為基準。當il＜0時，pa＞pl，溫差發電供給負載後的剩餘功率輸送系統，此時相位角θ超前；當il＞0時，pa＜pl，負載欠功率，則由系統提供，此時相位角θ滯後。這種θ變化，得益於變頻器輸入側的電容c和與系統連接側的電抗器ll。將幾百瓦功率型dc-dc變換器設置在太陽溫差發電裝置上，使其k個並聯後，再用一臺pwm變頻器和電力系統連接而構成變換器模塊方式太陽能發電系統。
設定光線波長為546nm，設定入射太陽光線為20萬條，光線垂直入射到槽式拋物面反射聚光鏡7上，模擬光線追跡後光路圖如圖5所示，垂直入射到槽式拋物面反射聚光鏡7上的光線經反射後匯聚於焦線m上，位於焦線位置平板集熱體8接收熱能提高，且集熱體8平面大部分區域能流分布均勻性較好，中心部分能流密度最大，邊緣部分有所衰減；說明本裝置可對太陽光實現有效聚光集熱，經集熱體8吸收後可作為溫差發電器10的熱源。
綜上所述，本發明提供了一種基於太陽能溫差發電的供電系統，是一種智能化、模塊化、機械化的系統，太陽能溫差發電裝置屬於固態能量轉換過程，將槽式拋物面聚光集熱技術與溫差發電技術結合，使用清潔無汙染太陽能作為熱源，採用冬季自然冷資源降溫，本裝置能達到聚光集熱目的，集熱板中心位置能流密度分布最高且均勻，太陽能溫差發電技術投資及使用費用較低，為太陽能光伏發電1/3～1/5，發電成本是太陽能光伏發電1/10～1/20；成本低、使用壽命長、佔地面積小、不存在大型機械轉動部件、不存在廢棄物、低碳環保，亦可為偏遠少電地區或遠程傳感器提供新供電方式；溫差發電裝置中添加dc-dc變換器實現最大功率點跟蹤控制，達到溫差發電器保持最大功率的輸出狀態；由於任何一方光伏電池功率都能供給電力系統和負載，dc-dc變換器和pwm變頻器的結合使用，即使在部分地出現陰天，都不存在太陽電池的供電問題，也沒有輸出功率的脈動問題，而且電路構成簡單。
以上對本發明所提供的一種基於太陽能溫差發電的供電系統進行了詳細介紹，對於本領域的一般技術人員，依據本發明實施例的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。