一種聚光光伏及溫差發電一體化裝置的研制

徐慧婷， 胡 狀， 歷德義， 彭 豐， 陳東生

(上海電力大學 數理學院，上海 200090)

0 引 言

目前，太陽能發電技術[1]仍然存在制造費用高、轉換效率低、應用范圍受限且未得到廣泛應用等問題。利用聚光技術[2]將太陽光匯聚到面積很小的太陽能電池上，能大幅度地減少太陽電池材料用量，從而降低了系統的成本。聚光條件下，太陽能電池溫度會升高，影響太陽能電池效率和壽命。溫差發電[3]恰好可以解決光伏電池發電時存在的問題。基于以上分析，本文設計了一種聚光光伏及溫差發電一體化裝置系統[6]，通過實驗進行探究，從而提高太陽能利用率。

1 實驗原理

1.1 聚光發電系統

聚光系統原理[8]如圖1所示。太陽光照射在點聚焦式光學聚光器[9-10]上，經匯聚后照射在太陽能電池上，再進行光電轉換獲得電能，透鏡所在平面與太陽能電池所在平面相平行，匯聚焦點為電池中心。

圖1 聚光系統原理圖

1.2 溫差發電系統

將1個P型電偶和1個N型電偶在熱端用金屬導流片相連接，形成如同P-N結的連接物，在冷端用導線連接，這就構成1個溫差電偶[11]。在太陽光熱效應下，P型半導體材料高溫受光面空穴的熱運動高于低溫背光面，則空穴從高溫端向低溫端擴散，形成電勢差。當N型半導體材料高溫受光面電子的熱運動高于低溫背光面，則電子從高溫端向低溫端擴散，形成電勢差。在構成的回路中，當復合半導體材料的兩端存在溫差時，便產生電動勢且形成電流，此現象稱為塞貝克效應[12]，也是溫差發電的理論基礎，其原理圖[13]如圖2所示。

圖2 溫差發電系統原理圖

2 系統設計

該裝置硬件主要包括光電部分和溫差發電部分。光電部分由聚光器、太陽能電池、光伏控制器[14]等部件組成;溫差發電部分由串聯的溫差發電片、散熱器[15]及冷卻裝置等部件組成。前期的實驗結果顯示：水冷卻效果突出，成本低，結構相對簡單，故在該一體化系統中采用循環水冷卻方式[16]。

通過太陽能電池組件[17]將太陽輻射的光直接轉化為電能，輸出的直流電可以存入蓄電池當中，考慮到聚光后的光線為圓形，因此選取直徑為114 mm的圓形太陽能電池，能最有效利用太陽光。太陽光經聚光器聚焦后能在很小的面積上產生很高的溫度，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。溫差發電片的電壓小電流大，將4塊40 mm×40 mm的溫差發電片串聯在太陽能電池背面進行發電。太陽能電池板如圖3所示。

(a) 正面

考慮到裝置的體積和最佳的聚光距離，將裝置制作成了一個長430 mm，寬430 mm，高105 mm的2×2聚光光伏發電陣列。其中菲涅爾透鏡尺寸為200 mm×200 mm，焦距為140 mm。自行搭建的聚光光伏及溫差發電一體化裝置的實物如圖4所示。

圖4 裝置實物圖

3 實驗數據與分析

3.1 有、無溫差的對比

(1) 為了探究溫差發電對于系統的影響，分別啟動和不啟動溫差系統進行對比實驗研究。實驗前調整裝置傾斜角度，使陽光垂直照射在菲涅耳透鏡上，在回路中接入電阻箱、小量程電流表和電壓表，電阻箱阻值為0～60 kΩ，裝置實驗原理示意圖如圖5所示。不斷調節電阻箱的阻值，測量太陽能電池輸出電流值和電壓值，實驗數據見表1。

利用Origin軟件對實驗數據進行分析處理，太陽能電池伏安特性曲線如圖6所示，輸出功率曲線如圖7所示。

圖5 原理示意圖

圖6 聚光太陽能裝置伏安特性曲線圖圖7 聚光太陽能輸出功率曲線

伏安特性曲線中，啟動溫差與不啟動溫差兩種情況下，聚光太陽能電池的輸出電流基本相等，但光伏-溫差聯合發電狀態下，最終輸出電壓有約0.5 V的明顯提升。由于較大輻射強度導致太陽電池內部可進行復合的電子-空穴對增多、電池溫度升高，從而加大電池內部電子-空穴對的復合概率，對外輸出電流減弱[18]。太陽能電池輸出電壓隨溫度升高而近似線性地減小，隨輻射強度的增加而呈對數增長[19]。電池輸出電壓隨電阻增大而緩慢增加，達到最大值后開路電壓基本保持穩定這主要是受電池溫度升高的影響。相同的聚光條件下，入射到太陽電池的光通量相同，太陽電池溫度越低，其禁帶寬度就越寬[20]。這意味著被太陽電池吸收的光子所產生的電子-空穴對能維持在高能量水平，從而增大輸出電壓。

在輸出功率曲線中，兩條曲線基本重合，均在電阻箱阻值為8.5 Ω時有最大輸出功率，光伏-溫差聯合發電的最大輸出功率為3.2 W，比單一光伏發電輸出功率高出0.16 W。

實驗結果表明:啟動溫差比不啟動溫差發電效果更好。因為在聚光太陽能電池的背面加裝溫差發電系統后，不僅能降低聚光太陽能電池背面的溫度，提高輸出電壓和最大輸出功率，還可以利用熱能進行發電，增加了總的輸出功率。通過實驗初步驗證整套裝置的可行性。

3.2 系統整體性能

為了研究整個裝置在正常光照情況下，總輸出功率以及轉換效率的情況，進行了系統整體性能的測試：

(1) 實驗前調整裝置傾斜角度，使陽光垂直照射在菲涅耳透鏡上。

(2) 在一體化裝置的聚光光伏發電系統輸出端串聯一個阻值為8.5 Ω的負載和電流表并測量負載電流，溫差發電系統的輸出端串聯一個阻值為80 Ω的負載和電流表并用電壓表測量負載電壓。

(3) 搭建好實驗平臺，啟動循環水散熱即可以開始記錄實驗數據。在記錄實驗數據過程中，由于前期數據變化頻率較快，因此前6 min每隔0.5 min記錄1次，后15 min每隔1 min記錄1次，總共記錄21 min，記錄數據見表2。

表2 裝置的輸出功率

利用Origin軟件對記錄的數據進行分析處理，可以得到聚光光伏與溫差發電一體化裝置的輸出功率曲線，如圖8所示。

圖8 裝置的輸出功率曲線

一體化裝置的輸出功率高于光伏或溫差單獨一種發電方式。溫差發電芯片輸出功率主要受芯片冷、熱端平均溫差影響，太陽輻射強度的增強導致熱端平均溫度升高，輸出功率曲線呈近線性增大。溫差發電在系統中所占的發電比重較小[21]。由圖可知：裝置總輸出功率等于聚光光伏系統輸出功率加上溫差發電系統輸出功率。陽光照射后，光伏系統立刻產生1.5 W左右的輸出功率，長時間照射后，輸出功率會有所上升，最終在2.0 W上下波動，考慮到太陽能光照強度的變化，輸出功率的變化屬于正常現象。

通過對比裝置總輸出功率曲線和聚光光伏系統輸出功率曲線，可以發現裝置工作5 min后，裝置總輸出功率產生增量，說明在聚光光伏的基礎上加裝溫差發電能夠提升總輸出功率，但增加的相對較少。而5 min前裝置總輸出功率曲線和裝置聚光光伏輸出功率曲線基本一致，說明裝置溫差發電輸出功率在5 min前是一個逐漸增加的過程，5 min后趨于穩定。

4 結 語

通過以上的實驗分析可知：聚光光伏與溫差發電一體化裝置是可行的，該一體化裝置能夠將光電和熱電混合利用，對弱光進行聚光處理，光電轉換效率和整體輸出功率均有所提高。但現在該裝置仍存在一些不足和需要完善的地方，比如裝置采集的時間還是太短，整個裝置還需要加裝太陽能追蹤系統等。該裝置的投入使用能夠加速光伏行業的發展，促進光伏溫差混合技術的發展。