转自 沉入大海的石头
新型巨型水透镜太阳能热电发电机的模拟、建模和实验性能研究
Simulation, modeling and experimental performance investigations of novel giant water lens solar thermoelectric generator
摘要
世界经济正在迅速向氢燃料电池、电动车、生物燃料发电机等环保技术转型。就热电解决方案而言，目前可用的热电发电器（TEG）非常昂贵，例如抛物面碟形TEG、菲涅尔透镜TEG、太阳能熔炉TEG等。本文进行了巨型水透镜太阳能热电发电系统（GWLSTEG）的数值模拟，该系统采用巨型水透镜作为太阳能聚光器和中温纳米结构Bi2Te3热电模块（TEM）。使用了两种不同的软件：Sol-Trace用于通过水透镜进行光线追踪，COMSOL多物理场用于Bi2Te3模块的模拟。根据模拟值，通过制造一个类似的巨型水透镜作为太阳能聚光器来聚焦太阳光线在与Bi2Te3 TEM集成的铝接收板上，进行了实验。观察到通过水透镜聚光器，热通量强度增加了四到五倍，即从1135 W/m²增加到4580 W/m²。热结点的最高温度达到498 K，热冷结点之间的最大温差达到463 K。系统能够达到12.04%的最高整体系统效率。此外，可以注意到，这些参数在相对湿度和空气速度最低的白天（即1400时相对湿度为12.5%）达到最大，而设备获得的最大功率输出为7 W。实验后，还提出了建议，提供更好的软件模拟替代方案，以便在GWLSTEG功能的过程中进行评估和修改，以获得相同的结果，从而在节省时间的同时提高成本效益。
引言
太阳能作为一种可再生、无污染的能源，其巨大的优势在过去几十年中引起了广泛关注。虽然存在多种直接收集太阳能的方法，但光伏和太阳能热能是最常见的（主要利用“聚光太阳能”）。传统的热机用于太阳能热技术中，将温度转换为电能。然而，如今热电发电机（TEG）是一种新兴技术。TEG是固态热机，可以利用温差通过“塞贝克效应”产生电能。与热机类似，TEG产生电能，但它们的体积相对较小且没有任何运动部件。TEG可能有效，但通常更昂贵且效率较低。然而，有限的效率将其使用限制在热电偶传感器和太空探索等专业领域。NASA的深空探险者选择热电技术是因为其可靠性和对环境的抵抗力。
在温度变化的响应中，即所谓的温度梯度，热电模块（TEM）会产生电压。ZT表示优值，决定了TEM的效率，公式为ZT=s2T/kρ。在这个表达式中，电阻率、热导率和塞贝克系数分别由ρ，k和s表示。热电材料中曾见过的峰值ZT为0.5–2.0，导致转换效率低下，将这些材料限制在专业用途中。“太阳能热电发电机（STEG）”现在被评估为一种可行的电力生产选项。任何STEG的主要组件是聚光器、吸收器和热电模块。
关于STEG效率的首次实验报告由Maria Telkes在1954年提供，她利用平板集热器结合ZnSb/BiSb热电偶。该设备的效率在没有聚焦透镜的情况下为0.6%，而使用透镜时为3.4%。直到2011年，Telkes在1954年展示的结果才被超越。2011年，Kraemer等人通过实验展示了纳米结构Bi2Te3 STEG的效率为4.6%。所提出设计中的选择性吸收器作为热吸收器，而真空封装有助于减少由于传导和对流造成的损失。他们在平板屏幕上使用纳米结构热电材料和选择性吸收器创建了一个STEG。此外，Kraemer等人预计，具有“ZT = 2”以及10倍光学浓度的更高效材料将具有14%的效率。集中的STEG显然优于传统的平板。G. Chen对STEG进行了建模。在这项研究中，Chen主张通过使用选择性吸收器增加进入热聚光器的净通量来提高STEG的效率。对于在800 K下运行且平均ZT为1的模块，Chen预计通过“10倍光学浓度和200倍热浓度”可以实现约12%的STEG效率。
在后续的研究中，McEnaney等人根据现有TE材料和选择性表面的数据对Bi2Te3/钴酸盐STEG进行了级联和分段。级联方案的预期最大效率在873 K时为16%。为了捕捉整个光谱并实现15%的效率，Olsen等人（2017年）建造了一个“高温STEG”，包括由La3Te4和钴酸盐制成的“分段n型腿”，以及由钴酸盐和Yb14Mn21Sb11制成的p型腿。更高的光学浓度（200–300个太阳和Th = 1273 K）以及TEG冷侧的主动冷却预计在上述研究中实现18%的效率。通过玻璃透镜基STEG接收100个太阳的太阳辐照并具有热电材料（ZT = 1），在1273 K时实现了15.9%的效率，这可以通过具有（ZT = 2）的材料提高到23.5%。对于FOM-ZT = 0.8、1.2和1.5的值，STEG效率分别为4.5%、6.8%和7.7%。一种称为R-STEG的折射基STEG，其中相变材料作为聚光器已被开发，发现其转换效率比在1 kW m−2和1.5 kW m−2下运行的STEG高出60%、86%。在AM 1.5G（1 kW/m2）条件下，平板太阳能热电发电机（STEG）实现了4.6%的效率。在所有这些系统中，实现了1到18%的效率，但这些系统的成本非常高。
研究空白可以识别为（i）几乎没有在与巨型水透镜聚光器集成的热电发电机领域进行的工作；（ii）目前可用的太阳能聚光器（如抛物面碟形TEG、菲涅尔透镜TEG、太阳能熔炉TEG等）的高成本；（iii）目前可用的聚光器设计复杂，普通公众不易适应。
因此，为了找到解决方案和新的探索，在本项目中努力开发了一种基于Bi2Te3的TEG，采用水透镜作为太阳能聚光器，其成本比目前可用的热电系统低十三到二十二倍（非常低的成本），在现有热电系统的效率范围内。为此，使用两种不同的软件对建模的GWLSTEG进行了数值模拟。通过巨型水透镜在吸收器表面上追踪集中的太阳辐射在Sol-trace中进行，因此优化了聚乙烯的透射率，并通过COMSOL软件进行了TEG模块的热分析。然后进行实验，使用厚度为400 µm且透射率为0.95的线性低密度聚乙烯（LLDPE）/透明塑料制成抛物形状，并将水倒入其中以形成透镜形状。整个系统作为一个平凸透镜，用于将太阳光集中在放置在巨型水透镜焦点处的铝接收板上。铝吸收板形成Bi2Te3热电模块的热结，由于半导体中的塞贝克效应而产生电能。通过水透镜聚光器在接收板上的太阳辐射强度增加了四到五倍，与相同尺寸的其他聚光器相比，成本相对较低。整个实验的目的是使基于水透镜的STEG更高效且适合家庭使用，因为印度60%的家庭可以获得电力，因此约40%仍然没有电力。
第1节介绍，第2节提供材料和方法，第3节涵盖透镜塑料材料和热电输出的模拟，第4节描述结果和讨论，还简要介绍了设备的总成本估算，第5节专门用于结论和未来研究建议。
结果展示
图1. 所提出的巨型水透镜太阳能热电发电机（TEG）的示意图。
图2. (a) 小型和巨型水透镜 (b) 将太阳能集中在TEG的吸收器上。
图3. TEG、电阻负载和所有仪器。
图4. (a) 铁框架设计 (b) 车间制造。
图5. 带框架的水透镜。
图6. 四种不同STEG架构的效率：单级碲化铋TEG（虚线）；单级钴酸盐TEG（点线）；分段钴酸盐和碲化铋TEG（点划线）；以及级联钴酸盐和碲化铋TEG（实心黑线）。
图7. (a) TEG模块 (b) 铝接收器 (c) 散热器 (d) 直流风扇 (e) TEG的完整组装。
图8. 巨型水透镜示意图。
图9. 透镜的光学聚焦。
图10. 能量平衡图。
图11. GWLSTEG的等效电路图。
图12. (a) Sol-Trace中的太阳形状轮廓；(b) Sol-Trace软件中的光线追踪。
图13. (a) TEG的COMSOL模型 (b) TEG模型的网格划分。
图14. 网格无关性测试图。
图15. 温度分布：(a) 吸收板表面 (b) TEG模块。
图16. 表面电势分布。
图17. (a) 水透镜表面的热通量分布 (b) 热通量的3D图。
图18. (a) 吸收板上的热通量分布 (b) 热通量的3D展示。
图19. 太阳辐照度随时间的变化。
图20. (a) 相对湿度的变化; (b) 空气速度随时间的变化。
图21. 温度随时间的变化。
图22. TEG热侧温度随吸收板表面集中太阳通量的变化。
图23. (a) 透镜孔径上的全球辐射和入射太阳能 (Qi) 随时间的变化; (b) 全球辐射和吸收器吸收的热量 (Qabs) 随时间的变化。
结论
使用巨型水透镜的太阳能聚光热电发电机的原型已制造完成，并测试和展示了热电电池结合聚光太阳能作为发电系统的潜力。水透镜相对便宜、易于获得、易于制造且不需要特殊护理或维护。通过使用水透镜作为聚光设备，本研究实现了TEG吸收板上太阳辐射通量强度增加四到五倍。水透镜可以在吸收板上集中足够的热通量（4580 W/m²）以达到最高温度498 K。总结如下结论：
在无最大功率点跟踪的情况下，GWLSTEG技术在1135 W/m²的全球辐射下实现了12.04%的最大系统整体效率，在930 W/m²的最小全球辐射时实现了8.68%的最低效率，测量时间为1100小时至1400小时，TEG具有10W容量并采用被动/强制空气冷却。
参数为：热侧温度498 K，冷侧温度35 °C（308 K），因此达到ΔT = 190 °C（463 K），而非473 K，即ΔT减少了278 K，因此最大功率输出大约为6.94 W ≈ 7 W，电压11 V，电流1.24 A，整体系统效率为12.04%，采用被动空气冷却且无最大功率点跟踪器。
热和光学聚集的结合以及改进的优值导致效率提高至12.04%。
只有当负载电阻等于TEG模块的内阻时，才能最大化功率传输到负载。
最大功率输出7 W接近供应商指定的额定功率10 W，但未能达到供应商规格。该功率差距主要由于动态环境条件（如增加的空气速度和湿度）导致的ΔT减少。
GWLSTEG的发电量和效率的实验值和理论值的准确性分别在30%和4.7%以内。实验结果与数学和数值模型显示出相当一致性。
性能也可以通过使用选择性表面吸收器（黑色涂料或其他涂层）来改进。
GWLSTEG可能是一个可行的可再生能源系统。据观察，GWLSTEG能够产生足够的能量，可用于家庭和工业部门，与其他STEGs相比，成本较低且不损害环境。
参考文献
