马兰 谢志军

摘要：钒钛黑瓷集热板作为太阳能热水器的集热装置，与温差发电技术进行集成，设计出家用热电装置。测试该装置的加热和发电效果，测试结果表明，自制的家用热电装置能将容积为64L的水箱中的水加热到45～75℃，冷热端温差为20～45℃，可产生电流为10.1～1994uA，电压为45.2～2105mV。

关键词：太阳能，钒钛黑瓷，温差发电，热电装置，设计，测试

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）23-0100-02

一、引言

太阳能发电技术是指将太阳能转化为电能的技术。就目前而言太阳能发电技术主要分为太阳能热发电技术、光伏发电技术。光伏发电其实质就是指光通过太阳能电池板后将光能转化为电能的技术[1]。太阳能热发电技术分为两种，其中一种是利用太阳能作为热源将水加热到沸腾产生水蒸气，利用水蒸气驱动汽轮机带发电机发电，另一种是利用温差发电技术将太阳辐射的热能转化为电能[2]。温差发电技术在我国具有巨大的开发利用潜力，由于我国西部山区供电困难，而这部分地区太阳能资源丰富，温差发电装置安装和维护相对容易，温差发电技术的开发和利用将有助于解决山区用电问题。目前，用于太阳能集热的材料主要有金属、塑料、玻璃等材料。依照吸热材料板芯的制作材质可以将其分为金属材料和非金属材料，其中金属材料主要包括：刚、铝、铜等材料，非金属材料主要包括陶瓷、复合材料以及塑料等材料。按照吸热效率来说铜的集热效率高，加工焊接难度不大，但是价格比较高。由于钒钛黑瓷具有光热转换效率、结构简单、成本低廉、便于广泛推广等特点综合比较本实验选择钒钛黑瓷为集热材料。

二、自制实验装置的设计

1.自制装置简介。通过计算钒钛黑瓷中空板太阳能集热器面积为6m2，钒钛黑瓷支撑结构是以支撑架为主的结构，板架与地面的倾斜角度为26°，选择表1所示的锑化铋发电片16片组成的温差发电模组，导热介质为导热油。安装简图如图1所示。

2.水箱内部结构设计。本装置水箱导热装置选用传热性能好的导热管，在箱体内部安装换热效率较高的换热管。需要使用热水时，向换热管中通入冷水通过与箱体中被集热板加热的油之间发生热交换将冷水加热。图2～图5为水箱的装配图和发电系统放大图。

如图2、4中结构1和结构7为油箱与集热装置的连接口，其技术要求为管道连通内箱体内部，管道与内箱体连接处密封，在管道伸出外箱体部分与集热板连接处安装阀门以控制箱体内液体流动，图2中结构2和结构4为换热管进水口和出水口，结构3为换热管，其技术要求为换热管与内外箱体连接部分要求密封，图3中的结构5为安装温度计套孔，其技术要求是套孔通向内箱体，在与内箱体连接封密封，插入温度计便于测量内箱体液体的温度，便于随时读数，结构6为发电装置，图5是其放大图，结构8与结构12为安装在温差发电模组上面的扇热器，结构9与结构11为安装在导热管上面的发温差电模组，结构10为导热管，结构14为固定散热片的固定件、发电模组、导热管的支撑装置，结构13为垫片。温差发电模组的热端靠近导热管，导热管与温差发电模组之间涂有导热硅脂，温差发电模组远离导热管靠近散热片的一端为冷端。整个系统工作情况为：油箱中的油通过结构1和图4中结构7与钒钛黑瓷集热板相连接，集热板加热油通过结构1和结构7与油箱中的油进行热循环，通过结构10导热管将油箱中的热量导出后将热量传入箱体外部与结构10导热管相连接的结构9和结构11温差发电模组的热端，热量传入结构9和结构11的热端后热端升温温差发电模组的热端和冷端形成温差后发出电，结构8和结构12为安装在温差发电模组冷端上面的散热片，其目的是降低温差发电模组冷端的温度，增大温差发电模组两端的温差提高发电效率。需要用水是将冷水由结构2或结构4通入结构3换热管，在结构3中的冷水吸收内箱体的油的热量后被加热，热水由结构4或结构2输出热水。

三、钒钛黑瓷太阳能热电装置的效果测试

用VC9801A+数字万用表测试集热板对水箱中水的加热效果以及发电效果，测试时间为夏季13∶00至17∶00。

通过上表的测试数据可以看出：

1.发电模组的连接方式对发电功率影响较大，并联发电功率比串联略大。

2.发电模组两端的温差对发电效率的影响很大。温差略微提升，发电功率显著增大。

3.厂家提供的测试数据中，当温差为40℃时，每一个发电片发电功率为0.66w，本装置共有16个发电片，按照厂家的数据，发电功率应为10.66w。而本装置测试的电压、电流与厂家测试的数据相比有很大的差距，其原因是由于厂家测试数据时是将热水装入塑料袋，然后将装有热水的塑料袋直接贴在发电片的热端。本装置的发电系统中传热的铜片与发电片的热端相连接处热量不能很好地传入发电片从而影响其发电效果，因此，改善铜片与发电片连接处的导热性能，将有助于提高装置的发电效率。

4.本装置水箱中水温最高只能达到75℃，而钒钛黑瓷中空板中的水温可以高达102℃，若改善装置中各环节的保温效果，水箱中的水可得到升高，若同时在发电模组冷端加装强制冷却装置，发电模组的冷热端温差也会得到提高，发电效果必定能有很好的改善。

四、结论

通过将钒钛黑瓷、太阳能热水器、温差发电技术进行集成，利用钒钛黑瓷集热板作为太阳能热水器的集热装置，将水箱中的水加热供家庭使用，再以温差发电技术为原理利用水箱中热水的富余能量进行发电，自制的太阳能家用热电装置水温可达75℃，最高发电功率为2.8×10-3w，若改善装置中各环节的保温效果，在发电模组冷端加装强制冷却装置，发电模组的冷热端温差将会得到提高，发电效果也能有很好的改善，若能将温差提高到60℃，发电片的发电功率利用率为50%，本发电模组的发电功率可达18w。

参考文献：

[1]赵军，杨昆.燃煤锅炉集成太阳能热发电系统经济性分析[J].中国电机工程学报，2012，（S1）：93-100.

[2]刘芳芳，展长虹，康健，武岳.寒区屋顶太阳能设备调查与集成设计分析[J].哈尔滨工业大学学报，2016，（02）：163-166.