太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)效率分析

郭瑞芳（銀川能源學(xué)院 電力學(xué)院，銀川 750105）

太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)效率分析

郭瑞芳
（銀川能源學(xué)院 電力學(xué)院，銀川 750105）

太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電是為了節(jié)約化石類能源、改善人類生存環(huán)境而提出的一種利用太陽能的發(fā)電形式。聯(lián)合發(fā)電綠色環(huán)保，可以更大程度的利用太陽能，發(fā)電同時(shí)可保護(hù)光伏電池因溫度過高而燒壞，因此聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的效率及其使用價(jià)值備受人們關(guān)注［1］，本文主要從能量角度對聯(lián)合發(fā)電效率進(jìn)行分析，找出影響聯(lián)合發(fā)電效率的因素，并分析了目前人們所采取的提高效率的措施。

光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電；效率；措施

1　太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)效率分析

太陽能光伏—溫差發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電相比優(yōu)點(diǎn)諸多，唯獨(dú)發(fā)電效率不理想，如何提高其效率受到了人們長期關(guān)注，下面從能量角度出發(fā)，計(jì)算分析影響光伏—溫差發(fā)電效率的因素，為提高其發(fā)電效率提供理論依據(jù)。

1.1光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電能量傳遞及轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系

光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電過程是低品位能量向高品位能量轉(zhuǎn)化的過程，其傳遞及轉(zhuǎn)換過程示意圖，如圖1所示：

圖1　

1.2聚光太陽能光伏電池效率

依據(jù)上圖能量關(guān)系，根據(jù)能量守恒定律可得：

其中，Q 為經(jīng)聚光裝置聚光后輸入光伏電池的能量；PPV為光伏電池輸出的電功率；QPV為光伏電池工作時(shí)的能量損失；QH為光伏電池傳到溫差裝置熱端的熱量。其中，C為聚光比；G為太陽輻射量；AC為電池板面積；βc為光伏電池的填充因子；、為光伏電池、tedlar膜的吸收率。

光伏電池在工作過程中主要以輻射和對流的方式與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換的，故其熱量損失可表示為：

其中，ε為光伏電池表面發(fā)射率；δ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；Tp為光伏電池表面溫度；Ta為所處環(huán)境溫度；h為對流換熱系數(shù)。

忽略傳熱損失，光伏電池以導(dǎo)熱的方式傳遞給溫差發(fā)電片熱端的熱量為：

其中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)；AH為溫差發(fā)電片的面積；δ為厚度；Th為溫差發(fā)電片熱端溫度。

光伏電池的輸出功率為：

其中，ηe為參考溫度為298K時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率；φc為太陽能電池的溫度系數(shù)。

光伏電池的發(fā)電效率為：

通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量，將已知數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)代入式（1-5）、（1-6）得出表面溫度Tc對效率ηPV的影響，結(jié)果見圖2。

圖2

由上圖得出，對同一材料的光伏電池，電池板表面溫度Tc對發(fā)電效率的影響是較大的，表面溫度越高，發(fā)電效率越低。當(dāng)聯(lián)合了溫差發(fā)電后，可以有效降低光伏電池板的表面溫度，提高效率。

1.3溫差發(fā)電裝置效率

依據(jù)圖1關(guān)系，由溫差發(fā)電模塊熱端吸收的熱量QH和冷端放出的熱量QL分別表示為［4］：

其中，α為賽貝克系數(shù)；ITE為模塊所需工作電流；k溫差發(fā)電模塊熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ri為內(nèi)阻；Tl為溫差發(fā)電模塊冷端溫度。

溫差發(fā)電模塊的輸出功率為：

溫差發(fā)電模塊的工作效率為：

從上式可得出影響溫差發(fā)電效率的因素有優(yōu)值系數(shù)Z，溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差（Th-Tl）及負(fù)載等，當(dāng)負(fù)載為定值時(shí)，效率與溫差關(guān)系如圖3所示。

從圖3可看出，隨著溫差的增大，效率呈直線趨勢增加，故提高效率可從溫差入手。

圖3　

溫差一定，優(yōu)值系數(shù)Z 與負(fù)載對效率的影響如圖4 所示

其它條件一定是，優(yōu)值系數(shù)Z 越大，溫差發(fā)電模塊效率越高；負(fù)載對溫差發(fā)電模塊效率的影響隨優(yōu)值系數(shù)的不同，結(jié)果也不同，但每一優(yōu)值系數(shù)存在最佳負(fù)載，使模塊工作效率達(dá)到最大。

圖4　

1.4太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電裝置輸出功率及效率

將以上公式聯(lián)立求解，既得聯(lián)合發(fā)電裝置的輸出功率及發(fā)電效率。從式（1-14）可得出，投入能量一定時(shí)，光伏發(fā)電和溫差發(fā)電任一部分的功率大小都會影響聯(lián)合發(fā)電的效率［5］。基于以上計(jì)算，關(guān)于聯(lián)合發(fā)電效率的提高作一點(diǎn)分析說明。

2　太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電發(fā)展前景及提高效率的幾點(diǎn)分析

太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如提高了太陽能發(fā)電的效率和壽命，方式靈活，可將低品位能量轉(zhuǎn)化為高品位能量，對能源利用率高，生產(chǎn)過程中無化學(xué)反應(yīng)，對環(huán)境污染小，且整體裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小，移動(dòng)、運(yùn)輸方便，裝置無運(yùn)動(dòng)部件，無噪音，維護(hù)運(yùn)行方便等。隨著人們對環(huán)境保護(hù)意識的逐漸增強(qiáng)，這種發(fā)電終將代替一些效率低、污染嚴(yán)重的傳統(tǒng)發(fā)電［6］，在能源領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。

然而，從當(dāng)前來看，太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電主要停留在理論及實(shí)驗(yàn)階段［7］，最主要原因就是該發(fā)電方式的效率問題。太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電效率比較低，一般在20%左右［8］，因此提高太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電效率十分有必要。

由前面的計(jì)算部分可以得出，影響太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電效率的因素既有光伏發(fā)電的，也有溫差發(fā)電的，但對于光伏發(fā)電來說，隨著技術(shù)水平的提高，沿著原有技術(shù)方向繼續(xù)提高常規(guī)太陽電池效率需要花費(fèi)更大精力和財(cái)力［9］，世界太陽電池最高效率從22%提高到23.3%，從23.3%提高到25%，各花了10年時(shí)間，太陽電池效率每提高一點(diǎn)都是很困難的。因此，從目前來看，要提高太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電效率，從溫差發(fā)電部分提高的空間相對大一些。

忽略掉光伏發(fā)電部分的影響因素，從溫差發(fā)電角度考慮，從圖3和圖4可以得出優(yōu)值系數(shù)Z ，溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差（Th-Tl）對效率的影響。故提高聯(lián)合發(fā)電效率的措施有：

（1）提高溫差發(fā)電模塊材料的優(yōu)值ZT。優(yōu)值是衡量熱電轉(zhuǎn)化效率的組要參數(shù)，人們在積極尋找優(yōu)值系數(shù)較高的材料來提高發(fā)電效率，Bi2Te3的ZT值大約為1，目前主要研究的熱電材料有：納米熱電材料、超晶格薄膜熱電材料等。

（2）增大溫差發(fā)電模塊的冷熱端溫差。采用良好的冷卻方式，降低低溫端溫度。如采用納米流體冷卻等。

3　結(jié)論

通過對太陽能光伏電池、溫差發(fā)電模塊及太陽能光伏—溫差聯(lián)合發(fā)電進(jìn)行計(jì)算分析，找出了影響發(fā)電效率的因素。對聯(lián)合發(fā)電效率進(jìn)行分析，收集了目前人們提高發(fā)電效率采取的主要措施。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.043

銀川能源學(xué)院校級科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2014—KY—Z—02）

郭瑞芳（1984-），內(nèi)蒙古呼和浩特人，本科，助教，能源動(dòng)力類相關(guān)教學(xué)科研。