太陽能光伏—溫差發電裝置設計及試驗

摘 要：為了減輕環境污染，節約化石類能源，設計了太陽能光伏-溫差發電裝置，該裝置主要借助太陽能光伏電池和溫差發電片進行發電。該發電系統不僅可以降低太陽能電池表面溫度，提高其壽命和光電轉換效率，而且利用溫差發電片可將低品位能量轉換成高品位能量，大大提高了能量的利用效率。通過試驗，得出了聚光比對發電效率和冷卻水流量對發電效率的影響。

關鍵詞：光伏發電；溫差發電；試驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.031

1 引言

伴隨著環境污染的日益嚴重，特別是近幾年許多城市出現的或重或輕的霧霾現象，化石類能源儲量的有限等問題，傳統發電的個別弊端逐漸凸顯出來，人們通過尋求新能源來解決以上問題的心情越來越迫切。太陽能易獲取，在轉換為電能的過程中不污染環境，故太陽能光伏發電在我國迅速發展。但是，光電轉換對太陽光的波長具有選擇性，一般波長在200nm～800nm可用于光電轉化，其余波長的光不起作用。太陽能電池輸出特性隨著溫度的變化，開路電壓變小而短路電流略增[1]，太陽能光電轉化效率受溫度影響較大。在安全上，在西北地區夏季，太陽能電池溫度與環境溫差可達36℃以上，這影響了太陽能電池的效率和壽命，嚴重時光伏板背面會“變黃”甚至開裂，而基于Seebeck效應的半導體溫差發電恰好可以解決光伏電池發電時所存在的問題。它主要利用熱發電波長在800nm～3000nm的光，吸收太陽能電池背面熱量，降低其表面溫度，基于以上分析，作者設計了一套太陽能光伏—溫差發電裝置，通過試驗對其進行了一定的分析。

2 裝置設計

該裝置主要由兩部分組成，硬件部分和控制測量部分。

2.1 裝置硬件部分設計

2.1.1 光伏發電、溫差發電部分的設計

裝置硬件主要包括光電部分和溫差發電部分。光電部分主要由光伏電池和聚光裝置菲涅爾透鏡[2]組成。溫差發電部分由串聯的半導體溫差發電片、扁鋁管散熱器及冷卻裝置組成。常用的冷卻方式有空氣直接冷卻、水冷卻、蒸發冷卻等。

水冷卻冷卻效果較好，成本低，結構裝置相對簡單，故本裝置中的冷卻采用水冷卻方式。冷卻水在低溫端的鋁管內流動，將熱量帶走。太陽能電池背光面與溫差發電片高溫端（熱端）之間通過導熱性能較好的硅膠[3]粘結在一起，減小導熱熱阻；低溫端（冷端）粘結扁鋁管，為了保證水不斷循環，在扁鋁管下面裝設水箱，通過泵將水送入到管道強制循環。裝置具體設計如圖1所示。

2.1.2 電能輸出設計

太陽能電池發電與溫差發電既可以單獨向外供電也可供給同一負載[4]，具體連接方式如圖2所示。

2.2 測量控制部分設計

2.2.1 測量部分設計

為了能夠更好的獲得不同參數對裝置發電效率的影響情況，整個裝置設置了不同的測點。

溫度是整個測量系統里比較重要的參數，溫差發電片熱端與電池背板用導熱性能好的硅膠粘結，可忽略其導熱熱阻，認為溫差發電片熱端溫度即為光伏電池背板溫度，將四個貼片式熱電偶貼[5]在靠近溫差發電片的位置，熱端溫度近似為四個熱電偶溫度的平均值[6]。同理測量溫差發電片冷端溫度。冷卻水入口和出口溫度可用普通熱電偶測量。冷卻水流量利用轉子流量計測量。在回路中接入小量程電流表、電壓表測量發電裝置的輸出功率。

2.2.2 控制部分設計

溫差發電片冷、熱端溫差是影響發電效率的主要因素之一[7]，熱端溫度大小主要受光伏電池背板溫度影響，不易控制，這里主要研究冷端溫度控制。冷端溫度利用貼片式熱電偶來測量，將測得的溫度和設定溫度比較，若溫度高于設定溫度，冷卻水箱出口電動閥自動打開，冷卻水流量增加，冷卻效果增強，直到所測溫度達到設定值，閥門自動關閉。

3 試驗分析

借助上述裝置，進行了試驗，得出如下關系：

（1）冷端溫度t和輸出功率P隨冷卻水流量變化關系：

從圖3可得，隨著冷卻水流量的增加，溫差發電片冷端溫度逐漸降低，輸出功率逐漸增大。這是因為冷卻水流量增加，強制對流換熱換熱增強，冷端溫度就降下來了，對于溫差發電片而言，冷端溫度降低，熱端溫度保持不變，溫差增大，故輸出功率增大。

（2）聚光比對發電系統轉化效率的影響

改變菲涅爾透鏡與光伏電池的距離[8]，聚光比發生了變化，與之對應的光伏發電、溫差發電及整個系統發電效率均有變化，具體關系如圖4所示。

分析上圖可以得出，光伏電池發電效率隨聚光比的增大而減小。因隨著聚光比的增大，電池板表面溫度升高，發電效率下降。對于溫差發電效率，隨著聚光比的增大先增大后減小，因溫差發電效率受發電片冷熱端溫差影響，隨著聚光比的增大，溫差增大，發電效率增大。除此之外，溫差發電效率也受半導體材料的影響，隨著溫度升高，半導體材料特性發生變化，效率下降，以上兩個因素是影響溫差發電效率的主要因素，最終發電效率受兩者共同作用。復合發電效率由以上兩種發電方式的效率的決定，光伏電池發電效率隨聚光比的增大而減小，溫差發電效率隨著聚光比的增大先增大后減小，故系統效率隨著聚光比的增大先增大后減小。

4 結論

文章提出太陽能光伏—溫差發電裝置的設計，進行了驗證，得出裝置的可行性。借助該裝置進行了試驗，得出如下兩個結論：

（1）隨冷卻水流量的增加，溫差發電片冷端溫度逐漸降低，輸出功率逐漸增大。

（2）光伏電池發電效率隨聚光比的增大而減小，溫差發電效率隨著聚光比的增大先增大后減小，復合發電效率受以上兩種發電的影響，隨著聚光比的增大先增大后減小。

參考文獻：

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基金項目：銀川能源學院校級科研項目（項目編號：2014—KY—Z—02）

作者簡介：郭瑞芳（1984-），內蒙古呼和浩特人，本科，助教，研究方向：能源動力類相關教學科研。