太陽能光伏—溫差聯合發電系統效率分析

郭瑞芳（銀川能源學院 電力學院，銀川 750105）

太陽能光伏—溫差聯合發電系統效率分析

郭瑞芳
（銀川能源學院 電力學院，銀川 750105）

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

光伏—溫差聯合發電；效率；措施

1　太陽能光伏—溫差聯合發電系統效率分析

太陽能光伏—溫差發電與傳統發電相比優點諸多，唯獨發電效率不理想，如何提高其效率受到了人們長期關注，下面從能量角度出發，計算分析影響光伏—溫差發電效率的因素，為提高其發電效率提供理論依據。

1.1光伏—溫差聯合發電能量傳遞及轉換的數量關系

光伏—溫差聯合發電過程是低品位能量向高品位能量轉化的過程，其傳遞及轉換過程示意圖，如圖1所示：

圖1　

1.2聚光太陽能光伏電池效率

依據上圖能量關系，根據能量守恒定律可得：

其中，Q 為經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境進行熱量交換的，故其熱量損失可表示為：

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

忽略傳熱損失，光伏電池以導熱的方式傳遞給溫差發電片熱端的熱量為：

其中，λ為導熱系數；AH為溫差發電片的面積；δ為厚度；Th為溫差發電片熱端溫度。

光伏電池的輸出功率為：

其中，ηe為參考溫度為298K時的光電轉換效率；φc為太陽能電池的溫度系數。

光伏電池的發電效率為：

通過實驗進行測量，將已知數據和測量數據代入式（1-5）、（1-6）得出表面溫度Tc對效率ηPV的影響，結果見圖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對發電效率的影響是較大的，表面溫度越高，發電效率越低。當聯合了溫差發電后，可以有效降低光伏電池板的表面溫度，提高效率。

1.3溫差發電裝置效率

依據圖1關系，由溫差發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；ITE為模塊所需工作電流；k溫差發電模塊熱傳導系數；Ri為內阻；Tl為溫差發電模塊冷端溫度。

溫差發電模塊的輸出功率為：

溫差發電模塊的工作效率為：

從上式可得出影響溫差發電效率的因素有優值系數Z，溫差發電模塊冷熱端溫差（Th-Tl）及負載等，當負載為定值時，效率與溫差關系如圖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，優值系數Z 與負載對效率的影響如圖4 所示

其它條件一定是，優值系數Z 越大，溫差發電模塊效率越高；負載對溫差發電模塊效率的影響隨優值系數的不同，結果也不同，但每一優值系數存在最佳負載，使模塊工作效率達到最大。

圖4　

1.4太陽能光伏—溫差聯合發電裝置輸出功率及效率

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

2　太陽能光伏—溫差聯合發電發展前景及提高效率的幾點分析

太陽能光伏—溫差聯合發電與傳統發電相比，具有許多優點，如提高了太陽能發電的效率和壽命，方式靈活，可將低品位能量轉化為高品位能量，對能源利用率高，生產過程中無化學反應，對環境污染小，且整體裝置結構簡單、體積小，移動、運輸方便，裝置無運動部件，無噪音，維護運行方便等。隨著人們對環境保護意識的逐漸增強，這種發電終將代替一些效率低、污染嚴重的傳統發電［6］，在能源領域發揮重大作用。

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

由前面的計算部分可以得出，影響太陽能光伏—溫差聯合發電效率的因素既有光伏發電的，也有溫差發電的，但對于光伏發電來說，隨著技術水平的提高，沿著原有技術方向繼續提高常規太陽電池效率需要花費更大精力和財力［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年時間，太陽電池效率每提高一點都是很困難的。因此，從目前來看，要提高太陽能光伏—溫差聯合發電效率，從溫差發電部分提高的空間相對大一些。

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

（1）提高溫差發電模塊材料的優值ZT。優值是衡量熱電轉化效率的組要參數，人們在積極尋找優值系數較高的材料來提高發電效率，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　結論

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

［1］鄧華.太陽能光伏-溫差混合系統發電的研究［D］.江西：南昌大學，2015.

［2］吳雙應，吳瑩瑩，肖蘭.環境風下光伏—溫差發電系統耦合特性分析［J］.工程熱物理學報，2015，36（7）：1528—1532.

［3］Rowe D M.CRC Handbook of Thermoelectrics［M］.London，NY，USA:CRC Press，1995.

［4］郭常青，閆常峰，李文博等.太陽能光伏/溫差復合發電系統效率分析［J］.電源技術，2012，36（10）:1474—1477.

［5］賴相霖，肖文博，黃蘇華等.聚光光伏與溫差聯合發電裝置的研究［J］.物理實驗，2012，32（05）:0017—0020.

［6］王立舒，梁秋艷，李琳等.聚光太陽能溫差發電裝置性能分析與試驗［J］.農業工程學報，2015，31（24）:64—71.

［7］李漾，鄭少華，李偉光.太陽能溫差發電技術的研究現狀［J］.研究與開發，2015，44（02）:74-78.

［8］楊晶晶，劉永生，房文健等.具有負反饋特征的光伏—溫差聯合發電模型與效率分析［J］.上海交通大學學報，2013，47（04）:0550—0555.

［9］王立舒，李琳，梁秋艷等.溫室聚光光伏/溫差聯合發電系統的設計與性能試驗［J］.農業工程學報，2015，31（14）:8—15.

［10］劉永生，谷民安，楊晶晶等.太陽能光伏—溫差發電驅動的新型冰箱模型設計與熱力學分析［J］.物理學報，2010，59（10）:7368—7373.

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

銀川能源學院校級科研項目（項目編號：2014—KY—Z—02）

郭瑞芳（1984-），內蒙古呼和浩特人，本科，助教，能源動力類相關教學科研。