聚光光伏與溫差聯合發電裝置的研究

賴相霖，肖文波，黃蘇華，王 慶，劉萌萌，王增輝，徐懷銀，呂晨晨，余林錦

（南昌航空大學測試與光電工程學院大學物理國家級實驗教學示范中心，江西南昌330063）

1 引 言

隨著經濟發展，能源需求越來越大.能源儲存的有限量問題促使人類去開發、尋找和應用新的替代能源.世界各國日益重視環境及可持續發展，自然會把目光投向太陽能的開發利用[1－3].盡管太陽能是地球上外來的清潔無污染且永不耗竭的能源，但是太陽能作為能源利用時，存在以下兩大缺陷：第一轉換效率低，第二制造成本高.為了進一步降低光伏發電成本，減少太陽電池芯片的消耗，聚光技術是一項可行的措施[4]，即通過采用廉價的聚光系統將太陽光會聚到面積很小的高性能光伏電池上，從而大幅度地降低系統的成本及昂貴的太陽電池材料用量.但聚光條件下，太陽電池的溫度會升高，嚴重影響太陽電池的性能，從而降低太陽光能量的利用效率[5－7].因此，利用太陽光照射下的升溫效應，太陽能溫差發電被提出來[8－10]，但溫差發電利用太陽能的效率還是較低，因此結合聚光發電和溫差發電模式被提出[11－12].

聚光發電可以提高太陽電池的光電轉換效率，溫差發電則恰好利用了光伏發電中不需要的熱能，結合聚光發電和溫差發電可實現太陽能能量的整體利用效率.但是目前研究中設計結構復雜，因此，我們提出了基于砷化鎵多結太陽能電池、半導體溫差發電片的聚光光伏與溫差聯合發電裝置.該裝置主要是由聚光光伏發電模塊及半導體溫差發電模塊組成，通過模塊間相互協調，從而實現太陽能量利用率提高的目的.

2 硬件設計

2.1 系統總體設計思想

系統整體設計如圖1所示，硬件主要由聚光光伏發電模塊及半導體溫差發電模塊組成.聚光發電模塊主要由240mm×240mm菲涅爾透鏡、10mm×10mm砷化鎵多結電池及60mm×60mm×0.4mm紫銅散熱片組成.太陽光經過菲涅爾透鏡聚光后照射在砷化鎵多結電池上發電，紫銅散熱片給電池芯片降溫.溫差發電模塊主要由56mm×56mm×5mm的半導體溫差發電片（型號為TEP1－12656－0.8）及水冷卻箱組成，溫差發電片的熱端通過紫銅散熱片傳熱，冷端通過水冷卻箱進行降溫；該模塊還帶有液晶顯示屏，可以通過人機界面實現利用電磁閥控制出水口水的流速，進而實現水冷卻箱里水溫的控制.

圖1 聚光光伏與溫差聯合發電裝置示意圖

2.2 聚光發電模塊設計方案

聚光部分設計如圖2所示，聚光發電模塊包括菲涅爾透鏡、1cm2的砷化鎵多結電池以及帶有紫銅散熱片的散熱底座.結構中4根柱子將菲涅爾透鏡托起，透鏡所在平面與砷化鎵電池所在平面相平行，且過透鏡中心的法線也通過電池中心.工作原理為太陽光照射在菲涅爾透鏡上，經匯聚后照射在砷化鎵電池上，由砷化鎵電池進行光電轉化獲得電能.因為太陽光經點聚焦式光學聚光器聚焦后能在很小的面積上產生很高的溫度，可達達500℃以上[13]，所以在電池背面采用紫銅進行散熱，與紫銅另一面緊貼的是溫差發電片的熱端.

圖2 聚光模塊結構圖

裝置中可改變系統幾何聚光比實現照射到太陽電池上光能量的變化（幾何聚光比的定義為[14]：光學系統的入射孔徑平面面積與出射孔徑平面面積的比值，可通過改變透鏡與電池的距離來改變幾何聚光比）.

2.3 溫差發電模塊設計方案

溫差發電模塊設計如圖3所示，該模塊采用紫銅散熱片將熱量從砷化鎵多結電池傳到溫差發電片的熱端，冷端采用水冷卻的方式進行降溫，形成溫差，實現發電功能.

在聚光光伏系統上加溫差發電模塊，一方面給溫差發電片熱端提供熱源，同時又給砷化鎵電池降溫.水冷卻系統采用智能控制方式，使水冷卻箱里的水溫穩定在測定溫度.水溫控制系統分為4部分：水溫檢測、水溫顯示、水溫設定、電磁閥控制.溫度檢測用DS18B20溫度傳感器，測溫范圍－55～＋125℃，現場采集溫度數據，并將溫度數據直接轉換成數字量輸出給單片機.水溫顯示采用lcd1602液晶顯示模塊，第一行顯示測試溫度，第二行顯示設定溫度；單片機通過處理溫度傳感器檢測的信號，將測得的數據顯示在液晶顯示模塊上.模塊設定按鍵，通過按鍵對單片機的操作，可以增大或減小溫度設定值.直流電磁閥為一種電流控制閥門開閉的裝置，當溫度傳感器檢測到水溫大于設定溫度值時，單片機經過信號處理，使繼電器吸合，電磁閥打開；電磁閥打開后，一方面水經出水口慢慢流出，另一方面自來水經進水口慢慢流進水箱；當溫度傳感器檢測到水溫小于設定溫度值時，單片機進行信號處理，使繼電器斷開，電磁閥斷開，出水口關閉.

圖3 溫差發電模塊結構圖

3 實驗結果及分析

光電轉化率與幾何聚光比的關系如圖4所示.單獨聚光光伏發電模塊條件下，電池的效率隨聚光倍數的增大先增大后減小，在75倍時達到最大值31.87%，而在聚光倍數最大的420倍時卻只有4.49%.原因是聚光倍率越高，光電池獲得的熱流密度就越高，電池溫度就會升得越高，那么導致太陽電池光電轉換效率就會下降[15].聚光光伏與溫差聯合發電裝置的電池的效率同樣隨聚光倍數的增大先增大后減?。挥山Y果可以看出，加入溫差發電模塊后的效率得到了一定的提高，由原先的31.87%增加為32.81%；而且最大效率時的幾何聚光比單獨聚光光伏發電模塊要大，原因是溫差發電模塊使得太陽電池降溫，可以實現較大的幾何聚光比.

圖4 光電轉化率與幾何聚光比的關系

4 結 論

通過對聚光光伏與溫差聯合發電裝置的理論分析以及測量分析，可知基于砷化鎵多結太陽能電池、半導體溫差發電片的聚光光伏與溫差聯合發電裝置是可行的，且發現聯合裝置的光電轉換效率達32.81%，可以整體提高光電轉化效率.

[1] Shah A，Torres P，Tscharner R，et al.Photovoltaic technology：the case for thin－film solar cells[J].Science，1999，285（5428）：692－698.

[2] 李蕊，孫敬姝，李志有，等.太陽能自動微灌演示系統[J].物理實驗，2010，30（4）：15－17.

[3] 高銀浩，閆雷兵.基于給體／受體有機太陽電池性能的研究[J].物理實驗，2010，30（9）：38－40.

[4] 陳諾夫，白一鳴.聚光光伏系統[J].物理，2007，36（11）：862－868.

[5] Khelifi S，Ayat L，Belghachi A.Effects of temperature and series resistance on GaAs concentrator solar cell[J].Eur.Phys.J.Appl.Phys.，2008，41（2）：115－119.

[6] 吳玉庭，朱宏曄，任建勛，等.聚光與冷卻條件下常規太陽電池的特性[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（8）：1052－1055.

[7] 黃國華，施玉川，楊宏，等.常規太陽電池聚光特性實驗[J].太陽能學報，2006，27（1）：19－22.

[8] 趙媛媛.集熱式太陽能溫差發電裝置的研究[D].成都：電子科技大學，2010.

[9] 趙建云，朱冬生，周澤廣，等.溫差發電技術的研究進展及現狀[J].電源技術，2010，34（3）：310－313.

[10] 林比宏，陳曉航，陳金燦.太陽能驅動半導體溫差發電器性能參數的優化設計[J].太陽能學報，2006，27（10）：1021－1026.

[11] 中國科學院廣州能源研究所.聚光集熱式太陽能溫差發電裝置[P].中國專利：CN2005201205630，2006－12－13.

[12] 上海聚恒太陽能有限公司.一種余熱發電的太陽能聚光發電裝置[P].中國專利：CN2009102522645，2010－06－02.

[13] 謝文韜，代彥軍，王如竹.采用腔體吸收器的聚焦太陽能集熱器集熱過程熱力學分析[A].中國工程熱物理學會工程熱力學與能源利用2009年學術會議論文集[C].2009.

[14] 趙彤，張輝，李維謙，等.Archimedes螺線式Fresnel透鏡的設計及加工方法[J].清華大學學報（自然科學版），2007，47（8）：1282－1286.

[15] Singh P，Singh S N，Lal M，et al.Temperature dependence of I－Vcharacteristics and performance parameters of silicon solar cell[J].Solar Energy Materials ＆Solar Cells，2008，92：1611－1616.