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聚光热电发生器的设计
摘要
热电技术是另一种能将太阳辐射转换为电能的方法，其原理是塞贝克效应。Herein，（设计了）一个标准的聚光热电发生器（CTG）和一个用于计算完整系统的离散数值模型。这个模型通过将热电腿划分为有限个单元，来考虑与温度相关的热电材料的性能。当CTG系统中出现大的温度梯度的时，对于热电组件转化效率的计算，此模型更加精确。基于文献上记载的各种热电材料最可能获得的性能，（这个模型）能以此预言出CTG系统最可能的性能。CTG系统（包括选择聚集比率和不同热电材料的冷却方法）将在下面仔细讨论。
关键词：热电发生器，聚集比率，热电组件
符号说明
q 太阳辐射照度
聚集比率
吸收器涂层的吸收效率
吸收器涂层的辐射率
斯蒂芬——波尔滋蔓常数
菲涅尔透镜入射太阳能
收集器吸收的热能
收集器表面辐射出的能量
总的热量损失
热电组件热端吸收的热量
热电组件冷端散失的热量
热电组件输出功率
菲涅尔透镜光学效率
能量损失比率
热电组件的转化效率率
eta; CTG效率
透镜，收集器，散热器的面积
A P型或n型腿的横截面积
N 一个热电组件中热电偶对数
L P型或n型腿的长度
第i部分的长度
M,n P型和n型腿的数目
收集器表面和环境的温度
第i段和第i 1段的界面温度
在温度下的热电材料电导率
在温度下热电材料的热
绪论
随着能源危机变得越来越严重，对于太阳能的利用已经变得越来越重要。一般来说，通过对能源物质的利用，有两种方法将太阳能直接转化为电能：光电技术和热电技术。前者已经有了很广泛的应用，而后者对于科学工作者来说仍然是一个热门的研究课题。通过塞贝克效应（或温差电动势效应），热电发生器能直接将热能转化为电能。究其原因是因为，当热电发生器产生一个温度变化并且其外部负载连接完整时，会有一个直流电压在热电单元上产生并且有一个电流通过负载。因其众所周知的优点，近年来在能源述求方面，热电技术已经变得非常令人感兴趣了。其优点比如：没有移动部件，良好的稳定性，高度的可靠性，绿色环保以及使用寿命长。随着热电技术的发展，近年来关于太阳能热电发生器以及光伏热电混合系统的构想已经被提出来了。
众所周知，为了让热电发生器获得高效率，热电材料所要求的优值系数应尽可能的高，并且通过热电装置产生的温度变化也应尽可能的大。在过去几年里，相当多的工作被投入到改善热电优值上，（其方法主要是）通过探索新的高等级容量的热电材料和纳米结构材料。一种在100℃拥有最高1.4的热电优值的高性能低成本的铋锑碲化合物块状合金已经被报道出来了，并且现在其已经在高效率低温度范围的发电装置中占支配地位。一些块状热电材料，像方钴矿和银锑碲化铅以及它们的合金，也已经被发现它们在800K时分别拥有最高1.43和2.1的热电优值，这些材料很适合高温范围（从室温到800K）内的发电装置。随着新的高效能材料的发展，通过热电装置收集太阳能的这个领域变得更加有前途。除了探索热电材料，（现在的）研究也已经转到改善热电组件的效率上来，比如，最优化的热电组件规模和外部荷载以及散热器的散热比率。
在这篇论文中，我们考虑了一种聚光到热电装组件上形成CTG系统的方法，其拥有三个最主要的优点来满足我们的设计目的：高效率，低系统成本，低前期投资以促使其快速扩大化。由于这种聚光是光学聚光，所以其热电组件的面积比平板系统小的多。以诸如玻璃镜，柔性焦镜透镜组，钢，铝以及塑料来代替昂贵的半导体材料，减少对半导体材料的使用，带来了更低的成本。同时，因为仅需要较少的热电组件，所以（这些热电组件）可以使用更昂贵的，更高效的，更复合的组件。另外，在收集了太阳辐射之后，由于（聚光而产生了）高能量密度，从而可以在热电装置上获得一个更大的温差。
Herein提出了一个标准的热电聚光装置。基于发表在文献上的不同热电材料块可获得的最优性能，（我们设计了）一个改进了的CTG系统理论模型被用来去预言CTG系统最高可获得的性能。这个数值模型考虑了P-和n-类型材料温度与热电性能的关系，以及整个系统的散热损失。最后，（本文）在结论部分详细讨论了关于CTG系统的设计，包括聚集比率的选择和不同热电材料的冷却方法。
聚光热电组件
一个完整的CTG系统必须包括一个太阳跟踪系统，一个阳光聚集器，一个热能收集器，一套热电组件，一个冷却系统和其他辅助设备。我们实验室已经建立了一个标准实验模型，如图1a所示。这里有两个CTG单元安装在一个两轴太阳跟踪系统上，CTG单元的局部细节如图1b所示。在我们的设计中，入射光线首先被两个菲涅耳透镜所聚集，然后再依靠两边的反光镜聚集到热能收集器上，如图1b所示。为了更有效的收集太阳光，两个覆盖在选择性收集器上的铜带条被焊接到热能吸收器的外表面，两个热电组件分别被安装到热能收集器的顶层，根据外部电压的需求这些组件可以被串联或并联。散热器被安装到热电组件的另一端去散热来降低冷端温度。散热器使这些热电组件保持在一个低温状态。为了综合利用太阳能，冷却板被用来从组件上转移余热到冷却液中，如图1b。冷却水是特殊的水，尽管其他液体也能被用在一个闭合回路中。残留在热电组件上的热的冷却剂被作为热交换器，在热交换器中，热能被转化为另一种形式的能量产品，例如，为家庭的或工业应用生产热水。与常规的CTG系统相比，此种设计已经改进了系统集成，减少了系统的能量损失，增加了整个的转换效率。
Fig.1.（a）聚光热电组件系统试验样机 （b）CTG单元细节图
当收集到的光线覆盖到整个收集器表面，聚集比率可以被定义为透镜的面积与吸收器的面积之比。显然，聚光面比透镜面积要小，而且热电组件的温度与性能也随聚光比率的变化而变化。然而，由于不同的材料有不同的工作温度范围，以及冷却方法（也）将会影响温度的分布，因而要根据不同的冷却方法或热电材料来选取最高聚集比率。（综上）对于此种设计来说，一个能够精确计算温度场和CTG性能的数值模型是必不可少的。
聚光热电发生器的数值模型
CTG系统的换能效率
在CTG系统中每个热电组件相当于一个透镜和一个散热器。由于热能吸收器有非常高的导热率，因此，在热能收集器上仅有很小的温度梯度，所以用如图2a所示的三明治结构模型去估计CTG系统的转换效率是合乎情理的，基于能量守恒分析，CTG系统的效率能被写作:
eta; (1)
其中，是热电模型输出的能量，,和分别表示入射到菲涅耳透镜上的太阳能，吸收器吸收的热量，从收集器表面上再辐射的能量以及经由收集器散失的能量的总和，是热电模型的换能效率。
当太阳辐射照度是q，透镜面积是时，入射能量总和是q.当阳光以比率聚集，菲涅耳透镜的光学效率是，吸收器涂层的吸收率是时，被吸收器表面所吸收的太阳能，，可以被表达为
(2)
上式中是收集器的横断面积，假定其代表了热电组件的横断面积，是聚集比率，，即透镜面积除以收集器的面积，从吸收器表面再辐射到周围环境中的热量用表示，可以用如下式子计算
(3)
上式中是收集器涂层的辐射系数，是斯特藩——波尔滋蔓常数（），和分别是吸收器表面温度和环境温度，将式2和3代入1中就能得到CTG系统的转换效率，如下：
(4)
上式中,，是热量吸收器上入射光总能量的能量损失率。
从等式4可以看出，CTG系统的转换效率由透镜的光学效率，吸收器涂层的吸收率，系统损失的热量以及热电组件的转换效率所决定。并且，后两个因素（进一步）由热端和冷端的温度所决定，并且随着聚光比率的不同而不同。
一般来说，，，和q在数值模拟中是给定值，因此，关于的计算将是CTG系统转换效率计算的关键点。大多数常用的模型是恒定质量模型（CPM），此模型忽略了温差电材料（热电材料）与温度的关系。因此，当有巨大的温度梯度时，将会对CTG系统的研究产生影响。所以，与温度相关的材料参数应该被考虑进去。在这里，已经开发出了（已经设计出了）一个离散的数值模型去评价热电组件的转换效率。
聚光热电发生器的设计
图2 聚光热电发生器和单个热电偶的示意图（a）热电发生器的原理 （b）由n-和p-型热电单元组成的单个热电偶的数值模型
热电组件的转换效率
离散数值模型常用来精确计算热电组件腿部的温度场，如图2所示。N型热电单体被分成n段，p型单体被分成m段。n和m的数值由热端和冷端之间的温度差异来决定，当然（n和m）也与和温度相关的材料性能有关，（n和m）将在下一部分仔细讨论。因此，当每个部分的温度差异足够小时，将CPM应用于每个部分是合适的。对于第i个部分，材料的性能，像电阻，热导率，塞贝克系数，可以用如下式子计算:
(5)
(6)
(7)
上式中的“p”和“n”分别表示P型和n型热电材料，和k分别是热电材料的电导率和热导率，A是每个P型或n型单元的横断面积，并且假定每个单元横截面积相等，是第i段的长度，代表第i段和第i 1段之间的界面温度。
因为一段的流出热量是另一段的流入热量，所以根据耦合热量理论第 i段的热量守恒可以写为：
(8)
上式中，对于n型热电单元，i可以从1取到n-1，对于p型热电单元,i可以从1取到m-1,当模型中包含由一对p型和n型热电单元组成的热电偶数为N时，热量将被热端吸收
(9)
上式中，,是热端的接触电阻，是热电组件的热端温度，由冷端散失的热量为:
(10)
上式中，是冷端接触电阻，是热电组件冷端的温度，热电组件的冷端由散热器冷却。因此，由冷端散失的热量也可以写为：
(11)
上式中，和h分别是散热器的面积和散热器的传热系数，当模型在最大输出功率状态工作时，外部负载应该与整体的内电阻相匹配。因为所有小段都被串联起来，所以热电组件的整体内电阻可以这样计算：
R (12)
因为端电压是每一段电压的总和，所以在与之相匹配的负载状态下的回路中的电流可以如此计算：
(13)
在这里，端部接触电阻的影响已经被充分的考虑进去了，在给定聚光比率和散热器的传热系数的情况下，为了计算未知温度，,以及,（我们）为CTG系统的设计写了一个电脑程序，流程表如图所示：
收敛
效率率
输出功率
温度分布
初始温度分布
首先，要给定一个初始温度分布，然后，分别通过等式5-7,12和13来计算，，和I的值。在每次迭代中，已经计算出的温度被用来计算下一段迭代计算中的，，和I。迭代计算要重复进行直到温度分布结果收敛。当温度分布结
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