低溫太陽能聚光集熱型半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種針對低溫區(qū)太陽輻射能熱-電轉(zhuǎn)化利用的雙軸自控追光式 太陽能半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，具體涉及一種利用陣列布置的菲涅爾透鏡高倍聚光、并將聚 光-集熱模塊與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊集成，以充分利用太陽輻射光譜中長波為主輻射能的 聚光集熱型半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，就建設(shè)規(guī)模來看，光伏發(fā)電技術(shù)雖已獲得飛速發(fā)展，但現(xiàn)有光-電轉(zhuǎn)換材料 的轉(zhuǎn)換效率普遍偏低，僅靠規(guī)模化發(fā)電造價高、資源耗費大。同時，就市場針對高溫區(qū)太陽 輻射能間接轉(zhuǎn)化發(fā)電利用的開發(fā)情況來看，傳統(tǒng)熱-電轉(zhuǎn)換發(fā)電技術(shù)（即光-熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生 蒸汽以驅(qū)動汽輪機發(fā)電)，雖已獲得廣泛推廣，但初投資大、運行成本高。此外，已有少數(shù)研 究機構(gòu)嘗試針對中低溫區(qū)太陽輻射能進行熱-電直接轉(zhuǎn)換發(fā)電利用，盡管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對緊 湊、初投資小，但受限于該溫區(qū)常規(guī)使用的幾種集熱技術(shù)的熱交換效率普遍偏低而一直發(fā) 展緩慢。因此，綜合技術(shù)本身的經(jīng)濟性和節(jié)能減排效益來看，如果能將聚光-集熱系統(tǒng)與 熱-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進行優(yōu)化集成并實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換發(fā)電，不僅有助于進一步提高太陽輻射能中 實際光熱利用部分輻射能的有效轉(zhuǎn)化率，甚至對于電網(wǎng)無法覆蓋的偏遠地區(qū)，有望成為除 光伏發(fā)電方式之外、適合單戶自給自足的輔助性發(fā)電方式之一。
[0003] 分析太陽輻射光譜的分布特點得到：99%的太陽輻射能量主要集中在可被利用的 200?3000nm的波長范圍。其中，以紫外和可見光為主的短波部分(波長在200至800nm之 間）約占太陽輻射能量的58%，其余以紅外光為主的長波部分(波長在800至3000nm之間） 約占太陽輻射能量的42%。已有研究表明，利用相關(guān)材料將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的方式 有兩種：一是利用光-電轉(zhuǎn)換材料界面的光生伏特效應(yīng)（Photovoltaic effect)的光伏發(fā) 電技術(shù)，可將太陽輻射中短波光波攜帶的能量直接轉(zhuǎn)換為電能，其關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換元件為光 伏電池；二是利用熱-電轉(zhuǎn)換材料界面的溫差發(fā)電效應(yīng)（Seebeck effect)的熱電發(fā)電技術(shù) (也被稱作半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù))，可將太陽輻射中長波光波產(chǎn)生的熱能直接轉(zhuǎn)換為電能， 其關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換元件為半導(dǎo)體溫差發(fā)電片?？梢?，光-電轉(zhuǎn)換技術(shù)和熱-電轉(zhuǎn)換技術(shù)這兩 種重要的太陽能直接發(fā)電轉(zhuǎn)換技術(shù)均只能在部分光譜范圍內(nèi)有效利用太陽能。此外，相對 于傳統(tǒng)蒸汽式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)而言，實現(xiàn)太陽能熱-電直接發(fā)電利用的半導(dǎo)體溫差發(fā) 電模塊，其本身是一種全固體能量轉(zhuǎn)換器件，無機械傳動部件、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、初投資 和運行成本低、壽命長、無噪音、無環(huán)境污染隱患。因此，以最大程度地利用長波為主的太陽 輻射熱能為前提，開發(fā)出針對低溫區(qū)太陽能高效熱-電直接轉(zhuǎn)化利用的太陽能半導(dǎo)體溫差 發(fā)電系統(tǒng)，將有助于促進分散地域能源供給的自給自主。在此基礎(chǔ)上，利用光譜分光-反射 原理，還可進一步實現(xiàn)光伏發(fā)電技術(shù)和熱電發(fā)電技術(shù)的復(fù)合利用。該復(fù)合發(fā)電技術(shù)，不僅有 助于在光伏發(fā)電環(huán)節(jié)有效避免了慣用全光譜直接照射而導(dǎo)致其中長波伴隨的發(fā)熱效應(yīng)對 于太陽能電池板發(fā)電效率和使用壽命的不利影響，更為中低溫區(qū)太陽輻射能的全光譜直接 轉(zhuǎn)換利用提供了 一條技術(shù)實現(xiàn)途徑。
[0004] 盡管太陽輻射能總量可觀，但就地球表面單位面積接收的輻射能而言，實際屬于 低能量密度的分布式能源。換句話說，不但地域分布的差異性顯著、而且輻射過程中熱能供 應(yīng)具有非穩(wěn)定性和非連續(xù)性。尤其對于以光-熱利用為基礎(chǔ)的熱電發(fā)電技術(shù)，則更離不開 "儲能"。為應(yīng)對上述供能特點，實際應(yīng)用中需要兩類技術(shù)支持：（1)太陽能聚光-集熱器； (2)蓄熱裝置。
[0005] 綜上所述，本實用新型的出發(fā)點是以最大限度利用太陽輻射光譜的長波光波為前 提，綜合考慮影響發(fā)電系統(tǒng)效率的內(nèi)在因素，并以系統(tǒng)發(fā)電效率最大化為目標，兼顧技術(shù)實 現(xiàn)的難度和系統(tǒng)制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低溫太陽能聚光集熱型半導(dǎo)體溫差 發(fā)電裝置。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：
[0008] 本實用新型包括：
[0009] 聚光模塊，由多塊菲涅爾聚光透鏡陣列封裝構(gòu)成箱式一體化結(jié)構(gòu)。
[0010] 太陽光線自動追蹤模塊，驅(qū)動俯仰步進電機和水平步進電機分別實現(xiàn)高度角-方 位角兩個自由度方向獨立自動追蹤的機械式追光裝置；其中俯仰步進電機裝在箱式一體化 結(jié)構(gòu)背部，水平步進電機設(shè)置在底座上，控制箱式一體化結(jié)構(gòu)的方位。
[0011] 蓄熱模塊，以釩鈦黑瓷復(fù)合陶瓷板作為接收經(jīng)菲涅爾聚光透鏡后的太陽輻射熱能 的基體材料，側(cè)面采用保溫隔熱材料進行封裝固定，并在復(fù)合陶瓷板的內(nèi)置銅管中充注導(dǎo) 熱油。
[0012] 半導(dǎo)體溫差發(fā)電電堆，由若干片半導(dǎo)體溫差發(fā)電片串聯(lián)組成，與所述的釩鈦黑瓷 復(fù)合陶瓷板貼合。
[0013] 本實用新型主要通過對太陽光線自動追蹤實現(xiàn)光線的高倍聚焦，然后利用導(dǎo)熱介 質(zhì)將接收獲得的太陽輻射能傳導(dǎo)入蓄熱模塊進行儲熱，并作為恒定熱源提供半導(dǎo)體溫差發(fā) 電片發(fā)電需要的熱量輸入，最終輸出發(fā)電量。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型的基本工作原理示意圖；
[0015] 圖2為本實用新型的半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖3為本實用新型的整體結(jié)構(gòu)和實際工作示意圖；
[0017] 其中：1、菲涅爾太陽能聚光器；2、釩鈦黑瓷復(fù)合陶瓷板蓄熱模塊；3、半導(dǎo)體溫差 發(fā)電堆；4、鋁制散熱翅片；5、陶瓷片；6、P-N結(jié)熱電對；7、連接P-N結(jié)熱電對的銅制導(dǎo)電片； 8、冷側(cè)散熱風扇；9、水平角步進電機；10、渦輪減速器；11、俯仰角步進電機。
【具體實施方式】
[0018] 本實用新型提出的雙軸追光驅(qū)動的低溫太陽能聚光集熱型半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置， 具體包括：（1)聚光模塊，由多塊菲涅爾聚光透鏡陣列封裝構(gòu)成箱式一體化結(jié)構(gòu)；（2)太陽 光線自動追蹤模塊，結(jié)合時鐘控制原理，驅(qū)動俯仰步進電機和水平步進電機分別實現(xiàn)高度 角-方位角2個自由度方向獨立自動追蹤的機械式追光裝置；（3)蓄熱模塊，以釩鈦黑瓷復(fù) 合陶瓷板作為接收太陽輻射熱能的基體材料和結(jié)構(gòu)材料，側(cè)面采用保溫隔熱材料進行封裝 固定，并在復(fù)合陶瓷板的內(nèi)置銅管中充注適量的導(dǎo)熱油，實現(xiàn)整體陶瓷板的均溫和良好儲 熱；（4)半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，由若干個P-N結(jié)單元熱電對組成，利用半導(dǎo)體材料的塞貝克 效應(yīng)且工作在恒定的冷、熱源之間，即可實現(xiàn)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。
[0019] 上述技術(shù)方案中，主要結(jié)構(gòu)組件包括：底座、水平和俯仰運動機構(gòu)、鋁制支撐支架、 步進電機9、11、渦輪減速器10、PLC控制模塊等組件組成。系統(tǒng)運行原理為：首先，通過固 定在底座下方的1個水平步進電機，驅(qū)動主軸及其支撐軸承相對于底座實現(xiàn)水平轉(zhuǎn)