周翰生

摘要：本项目以提高太阳能的综合利用效率为主要目标，通过对现有太阳能光伏、光热系统能量转化和利用情况的分析，提出了“以光变热，用热发电、余热贮存”的综合解决方案，并最终形成了太阳能发电、贮热一体化集成设计的整体理念，以期通过整个系统的协调运行实现太阳能利用的高效率和经济性。在此基础上，还对样机的实际运行效果进行了测试、分析和评估，得到了一些可供借鉴的实验数据，从而为太阳能在发电、贮热等方面的综合利用做出了有意义的探索。

关键词：高效；太阳能；热电贮能器

一、项目研究背景

在学校开展的“低碳、环保、节能”的社会实践活动中，我作为高中学生更能体会到现在的中国是一个极度缺少资源的国家，我也从中了解到，太阳能是一种非常环保而且取之不尽，用之不竭的能源，是自然界最丰富的可再生资源。有关专家分析指出，假如把到达地球表面0.1% 的太阳能转变为电能，转化率按5% 计，则每年的发电量可相当于目前世界能耗的40倍左右。因此，大力开展太阳能的转换、储存和综合利用研究，对于人类社会的可持续发展具有重大的现实意义。

现在也有许多利用太阳能的设备，如太阳能电池板、太阳能热水器等。前年，我们家买了一台海尔牌的太阳能热水器，经过一段时间的使用后，我发现，太阳能热水器虽然好用，但是对太阳能的利用太过单一，只能产生热水，且在冬天时无法吸收到足够的热能导致所产生的热水温度不够。通过调查我还发现有另一种太阳能设备就是利用太阳能电池板发电，但它的缺点也是显而易见的：成本大，转换效率不高，到现在为止对太阳能的转换效率一般只有15%左右，而且对太阳能的利用也是单一的，只能产生电能。我就想能不能发明一种既能发电又能产生热能的太阳能装置呢？我想能用半导体发电片实现这一目标吗？于是我就开始了本课题的研究。

二、项目的理论的研究

（1）太阳能光热技术

太阳能光热技术是指将太阳光能转化为热能并加以利用。典型的光热应用有太阳能热水器、太阳能灶和太阳能热发电。生活热水在日常生活扮演重要角色，热水的去污效力是冷水的2到5倍，使用热水不仅可以提高人们日常生活的质量和卫生水平，而且可以有效地节约水源。常见的太阳能热水器主要有真空管集热型和平板集热型。目前，国内80% 以上采用的是真空管集热型，而国外则80% 是平板集热型。真空管集熱型的主要是优点是保温性能好，缺点是截光面积较小；平板型的主要优点是截光面积大，造价低，缺点是保温性能差，冬季需要考虑防冻措施。常见的太阳能热发电主要有塔式热发电、槽式热发电、碟式热发电和菲涅尔式热发电，都是采用了聚光技术但聚光方式有所不同，思路都是通过聚光产生300℃-500℃的中高温气体推动汽轮机转动进而带动发电机发电。光热应用方面，中国的太阳能热水器应用不仅在总数量上世界第一，而且在普及率上也名列世界前茅，可以从侧面反映出中国人民节能环保的意识增强。可以相信，随着光热应用的进一步开拓，功能强大的光热应用系统会有更大的市场。所以，我认为研究光热的应用也是非常有意义的工作。

（2）半导体温差发电原理

半导体温差发电器是一种通过半导体热电器件把热能转换为电能的电源装置。

通过网络自学，我知道：热电转换材料具有3个基本效应， 即帕尔帖效应、西伯克效应和汤姆逊效应， 这3个效应奠定了热力学中热电理论的基础， 也为热电转换材料的实际应用展示了广阔的前景. 温差电是利用材料的西伯克效应， 通过载流子（电子和空穴）进行能量的输运. 该效应于1821年由德国人西伯克发现： 在两种不同金属（锑与铜）构成的回路中， 如果两个接头处存在温度差， 其周围就会出现磁场。通过进一步的实验， 西伯克发现回路中存在电动势。西伯克效应是制作测温热电偶、温差发电和温差电传感器的基础。温差发电的原理如下图所示： 将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态， 另一端开路并给以低温. 由于高温端的热激发作用较强， 此端的空穴和电子浓度比低温端高， 在这种载流子浓度梯度的驱动下， 空穴和电子向低温端扩散， 从而在低温开路端形成电势差。 将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块， 就可得到足够高的电压， 形成一个温差发电机. 这种发电机在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能， 且转换过程中不需要机械运动部件， 也无气态或液态介质存在， 因此适应范围广、体积小、重量轻、安全可靠、对环境无任何污染， 是十分理想的电源。温差发电的灵活、绿色、安静和微小体积的特性， 使其可在许多领域发挥重要的作用。

（3）实验探究

在项目的研究过程中，我想以“热”作为项目研究的基点，实现“聚热——热电转换——贮热”设计思路，项目的核心部件采用半导体温差发电片。于是我重点对半导体温差发电片进行了实验探究：

【实验目的】测定半导体温差发电片发电电压与温差的关系。

【实验器材】热电转换仪，两个玻璃烧杯，温度计（两个），直流稳压电源。

【实验原理】温差发电的原理：将两种不同类型，的热电转换材料 N 和P的一端结合并将其置于高温环境，另一端置于低温环境。由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在高、低温两端形成电势差。将许多对 P型 N型热电转换材料连接起来组成模块 ，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。

【实验数据】首先，将温差发电装置在冷水杯与热水杯中，用数字温度计先测出冷水的温度，记录数据，再将数字温度计探针上的水珠擦干后放入热水中，每隔30秒测一次热水的温度，及时记录数据 ；其次，将数字电压表调到直流挡，将其表笔连接半导体的两接线处，同时测量半导体输出电压，记录其输出电压。将测量出热水水温与对应的电压填入表格中，如果还能将这些数据用坐标描绘出对应图像就更好。笔者测了一组热水温度变化与输出电压的数据，如表 1所示，其中冷水温度为 20.6℃。

【实验结果】实验结果说明，水的温差与发电机输出的电压大体上成正比。

三、样机制作的具体技术路线：

1. 太阳辐射强度虽然可以达到1000w/㎡左右，但单位面积中的光能密度并不大，所具有的光线温度不高。为保证本项目的实施，采用矩形弧面反射聚光系统确保反射光条落到半导体温差发电片中央，提高温差发电片热端温度，形成高温差，从而提高热电转换效率。

2.由于季节、气候、时间等原因太阳能的随意性较大，太阳强度很不稳定。为了保证本项目的安全运行，采用矩形弧形反射面自动收缩系统，控制反射光条的温度在200℃左右，确保半导体温差发电片不会因温度过高而烧毁。

3.在真空管内加装金属螺旋热交换管道，通过水泵使水在温差发电机组件、贮水箱内循环，实现热电贮存；

4.利用Arduino开发模块，结合光度传感器、风力传感器、温度传感器，通过程序设计，控制矩形弧形反射面自动收缩与反射面的自动清洗。

5.制做一套小的变焦式太阳能热电储能器的原理实验样机，达到变焦式太阳能热电储能器所必备的发电、蓄电、供热全部功能。

四、变焦式太阳能热电储能器的总体结构及工作原理

1、总体结构

本项目的研究目的是为了发明一种太阳能高效热电贮能一体机。用半导体温差发电片通过与以往不同的方式同时得到热水和电能，提高太阳能利用的效率。为实现上述构想，在本设计中，太阳能高效热电贮能一体机的总体结构可以划分为四个分系统（如下图所示）：

（1）太阳能聚光系统。主要是通过反光板反射聚光投射到真空管上。反光板安装示意图。

（2）智能控制系统。为了保证聚光系统正常地发挥作用，自主设计了自动控制系统。

（3）蓄热系统。由反反射面、真空管、温差发电机组、螺旋吸热管、储热水箱组成。主要功能是产生热量并贮存热水。

（4）蓄电系统。由温差发电机组、充电控制电路、蓄电池组成。主要功能是发电并贮存于蓄电池中。

2、工作原理：

将反光面对着太阳，阳光照射在矩面弧形的反光面上，反光面将太阳光反射、聚焦到真空管上，管内的螺旋吸热管将热量传给管中水，水通过水泵输送到温差发电机组的热端水冷头后进入贮水箱，贮水箱中的冷水在水泵的作用下，流经温差发电机组的冷端后进入真空管内的螺旋吸热管中加热，如此不断循环，在温差发电机组的冷热两端形成温差，使之发电，并将电能通过充电控制电路储存到蓄电池中，温差发电片发电的同时，水被循环加热贮存在贮水箱中。当温度传感器检测到真空管内的温度过高时（温度不能超过200C°），温度控制器就会启动步进电机，收缩反射面减少面积，光能量减少，温度下降，保证真空管不至于烧坏；当温度传感器检测到温差发电片的温度过低时，温度控制器又会启动步进电机，扩大反射面增加面积，光能量增加，温度升高，保证温差发电机组在大温差下工作，提高热电转换效率。当夏天太阳光过于猛烈的时候，贮水箱中的水温达到设定要求后，会自动切换到补水箱，主要用于热电转换，将电能贮存在蓄电池中。

3.实验样机测试效果：

由于实验样机光反射面积有限，电力输出功率不大，充电电压只有13.7V，充电电流勉强维持在1安培左右，功率只有13W。但是其它功能均能正常工作，聚光带温度也能达到200度左右，反光板的弧度也能随太阳光的强弱自行调节，最值得肯定的是该实验样机热交换明显，贮热效果好；当半导体热端温度达到90度时，冷端温度能维持在30度左右，冷热温差保持在60度左右，大大提高了半导体温差发电组的热电转换效率。如要推广使用，只需扩大光反射面积，增加半导体温差发电组模块即可。

五、项目的主要发明与创新点

本项目整体上看，具有系统集成創新的特点，其创新性主要体现为三点：

（1）同时得到了电能和热水，提高了太阳能的利用率。矩面弧形的反光板集中阳光，形成一个光带，光带温度高，半导体温差发热片二面温差大，一般在60度以上，有效提高了半导体温差发电片的热电转换效率。

（2）以“热”作为项目研究的基点，以半导体温差发电片作为核心部件，实现“聚热——热电转换——贮热”的设计思路，大大简化了设计结构，降低了设备成本，有利于大范围推广使用。

（3）本项目的自动控制系统。为了保证聚光系统正常地发挥作用。当夏天太阳光过于猛烈的时候，反射面减少，光能量减少，温度下降，确保真空管不至于因温度过高而被烧坏，而当冬天太阳光不足时，反射面增加，光能量增加，温度升高，又可以聚集到更多的太阳能，有效提高半导体温差发电片的热电转换效能。

我国是一个能源生产大国和消费大国，拥有丰富的化石能源资源，但能源的消耗速度比其他国家更快，能源枯竭的威胁可能来得更早、更严重。因而，日益增长的对外能源需求造成的能源压力迫使我们不得不寻找解决能源危机的突围之路。该项目的研究，即可解决家庭的热水问题，又可为家庭提供日常生活用电，如果能走入千家万户，我相信必将造福整个社会。