高效薄膜光伏溫差發電系統的研究設計

黃勵志

（安徽省阜陽市第三中學，安徽 阜陽236000）

1 研究背景

電對于人們來說是生活中最不可或缺的資源，無論是在通信、交通、娛樂、生產生活等方面都需要使用到電力資源，但目前在世界上還有很多國家的人仍因為各種因素用不上電，包括我國也存在著電力資源緊缺的問題。目前我國電力能源的來源主要有3 種，即火電、水電、核電和風力發電，目前還是以火力發電為主，在一定程度上導致了環境污染。此外也利用太陽能發電，傳統的太陽能發電設備存在許多不足，如光線較分散時強度往往不夠等。故本研究擬設計一個能夠充分利用太陽能資源進行發電的高效、便捷、綠色的發電設備，解決我國電力資源短缺的問題。

2 研究目的

通過文獻閱讀了解現存的一些太陽能發電裝置結構設計，經過反復實驗驗證，完成了高效薄膜光伏溫差發電系統的設計搭建。該高效薄膜光伏溫差發電系統能夠根據現實中光線強度變化自動化、智能化的調整光伏溫差發電結構的角度，通過菲涅爾透鏡與光伏薄膜之間的距離，可以使其始終能夠實現對太陽能的最大采集量，光伏薄膜同溫差發電片搭配使用，實現資源的有效利用，同時自身對于溫度的恒定作用，也能延長光伏薄膜的使用效率和使用壽命，為新能源發電技術的改進設計提供一個技術解決的方案。

3 研究思路

圖1

4 研究結果

4.1 光伏薄膜發電技術

光伏薄膜發電就是利用半導體技術，直接將太陽光轉化為電能。光子照射到金屬上時，經過一系列的反應之后，將會形成光電子。與此同時，硅原子與磷原子和硼原子混雜會形成對應的N 型半導體和P 型半導體。當P 型和N 型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P－N結后，空穴由P 極區往N 極區移動，電子由N 極區向P 極區移動，形成電流。

圖2 光伏發電的原理

如上所述，在光的作用下，產生一定方向一定大小的電動勢的現象，叫做光生伏特效應，光伏薄膜的光電轉換效率同光線強度大小有直接關系。光伏發電的主要原理是半導體的光電效應。

目前薄膜太陽能電池具有：

（1）材料儲量豐富、安全無毒；

（2）制備溫度低、能量回收時間短；

（3）易于大規模自動化生產；

（4）生產成本低；

（5）較低的溫度變化系數；

（6）應用方便等特點。

4.2 溫差發電原理

溫差發電技術是利用賽貝克效應實現的，因為材料的特殊性，當溫差發電片兩端溫度不一致時，熱端的電子就會向冷端發生定向轉移，形成穩定的電勢差，從而產生穩定的電流，溫差發電片的發電效率與溫差片兩端溫度差的大小有關。

圖3 溫差發電原理

4.3 發電系統設計

該裝置主要由兩部分組成，底座支架和光伏溫差發電部分，在工作時能夠智能化根據光線強度變化和溫度傳感器示數的改變進行角度和高度的調整，能夠實時的對太陽進行追蹤。同時為應對自然條件下太陽的定期運動的情形下能夠獲得充足的照射面，特將底座設計為能夠進行自主調節的可移動便攜式，可根據現實情況靈活的調節光伏溫差發電部分的高度與仰角。菲涅爾透鏡太陽光線變化是能夠由核心控制器進行控制，自動化改變仰角和與光伏薄膜的距離，將最強光源始終聚集在光伏薄膜之上。光伏薄膜背面與溫差發電片熱端用導熱性良好的硅膠進行粘接，以此來減小導熱熱阻。當光伏薄膜在太陽照射下產生作用將太陽能轉換為電能時自身會產生一定的熱量，從而溫度升高，這時候溫差發電片貼近于光伏薄膜一端相對于另一端溫度升高，因此溫差發電片開始工作，將熱能轉換為電能。發電設備在運行時會產生大量的熱，長時間的高溫運行會對光伏薄膜和溫差發電片的運行產生損害，因此在溫差發電片的冷端依次安裝有相變散熱裝置和水冷降溫裝置，當位于光伏薄膜中央的溫度傳感器檢測到溫度的變化時，將數據信息傳遞給核心控制器，核心控制器改變電路狀態。當溫度升高時，核心控制器接通電路，在調整菲涅爾透鏡高度的同時運轉制冷散熱設備。當溫度回到正常狀態時，電路回到正常狀態。

圖4 薄膜光伏及溫差發電板

圖5 配套結構設計

4.4 控制原理

本系統由薄膜光伏發電與溫差發電兩種發電方式進行結合，薄膜光伏發電產生的電能經由控制器、逆變器，將直流電轉化成交流電可以輸送給用戶，同時也將一部分電能儲存在蓄電池中。溫差發電產生的電能經由升壓模塊升高電壓也輸送給蓄電池。系統菲涅爾透鏡由溫度傳感器決定其溫度，菲涅爾透鏡的運動及溫度傳感器的控制以及太陽追蹤結構電機的運動均從蓄電池中獲得電能。

圖6 控制原理

4.5 運用前景分析

本系統設計通過將光伏發電和溫差發電進行系統結合，并利用菲涅爾透鏡、溫度傳感器實現智能聚光提升系統發電效果，本系統可以替代部分太陽能設備的使用，如太陽能路燈、家用太陽能發電器等，也可替代產業化、集中發電的光伏設備，適應場景廣泛化。

5 結論

光伏薄膜在發電時通過吸收太陽能，經過一定的物理轉化，最終轉化為電能供給外部用電器使用。但是目前存在著轉化效率低、受環境因素影響、自動性低的特點，因此目前還沒有在發電市場被很好的推廣。通過設計改進將其與菲涅爾透鏡相結合，菲涅爾透鏡通過電路控制，可以智能化的進行調整，提升太陽能的接收，并且能起到隔離保護的作用。位于光伏薄膜背面的溫差發電片，利用光伏薄膜表面的溫度升高這一特性進行發電，提升整個系統能量轉換的效率，并且為了控制設備內部溫度以便保護設備，在其底部采取相變散熱和水冷散熱相結合的方式保持相對恒溫。光伏薄膜與溫差發電片的有效配合使用，提升了對太陽能的轉化效率和經濟實用性，為太陽能清潔電力轉化設備的大規模使用提供了技術解決方案。

6 創新點

6.1 光伏發電與溫差發電的結合，兩種發電方式同時產生電能，提升對太陽能的利用率。

6.1 以太陽能薄膜為主要光伏發電材料，通過半導體片利用薄膜逸散的能量進行溫差發電，在一些情況下可降低太陽能薄膜的溫度，提升發電效率。

6.3 根據太陽能薄膜表面溫度智能調節菲涅爾透鏡的高度以達到聚光提升光伏發電效果的作用。

6.4 背面通過相變散熱結合水冷散熱的方式提升溫差發電的效率。

7 下一步研究計劃

高效薄膜光伏溫差發電系統的下一步研究應著重點在于提升改進降溫裝置的運行效率和提升其便捷性。

7.1 在下一階段的研究中將進行實物的制作，并通過實驗法驗證本系統的有效性與實際效率，并從散熱方式、菲涅爾透鏡高度等探究影響整個系統發電效率的因素。

7.2 高效薄膜光伏溫差發電系統頂端自動收集聚焦太陽能的設備為菲涅爾透鏡，在長期自然條件使用下難免會造成表面不潔或被異物遮擋的情況發生，導致太陽能采集效果不好，現階段需要人手動進行這個工作的清理。下一步設想在其表面安裝智能檢測設備和自清潔裝置，當有上述情況發生時，發電系統會運行自清潔裝置進行表面清潔。

7.3 高效薄膜光伏溫差發電系統因為材料的原因顯得比較笨重，下一步會將底座、伸縮裝置進行替換，換用更加輕便的材料，同時對各個部分進行改造設計，使其能夠折疊放置，提升設備的便攜性。