聚光太陽能光伏/溫差熱復合發電系統設計與性能測試

王立舒，馮廣煥，張 旭，孫士達，李欣然

（東北農業大學電氣與信息學院，哈爾濱 150030）

0 引 言

太陽能是一種清潔、無污染的可再生能源，具有巨大的潛在利用價值，可以為人類提供取之不盡的能源，其利用已成為新能源領域的研究熱點[1-2]。光伏發電是太陽能利用的主要形式之一，低效率和高成本是制約光伏產業發展的主要屏障。光伏電池可吸收80%的太陽輻射，但不能完全轉化為電能，轉換效率取決于所使用的光伏電池技術[3-4]。太陽輻射的其余部分能量全部轉變為熱能，使得其工作溫度通常都在50 ℃以上[5]。這種多余的熱量會使光伏電池溫度升高，從而導致光電轉換效率降低[6-7]，甚至高溫下光伏電池出現自燃、安全性能下降等問題。

為了解決光伏電池溫度升高效率降低等問題，國內外已經開展許多有益的研究。目前，普遍采取的解決辦法是對光伏電池進行散熱，散熱方式通常有 3種，分別為對流冷卻、相變材料降溫以及水冷散熱[8-9]。文獻[10-11]應用空氣流提供強制對流來冷卻光伏電池的溫度，使電效率提高12%。文獻[12]使用低溫石蠟與聚乙二醇作為相變控溫材料降低了光伏電池溫度，并證明電力的增長可能超過 30%。文獻[13-16]采用水冷散熱的方式提高輸出功率。以上研究的共同問題是在提高發電效率時沒有考慮將光伏發電系統、溫差發電系統產生的多余熱量儲存進行熱利用，從而導致能源利用率降低。針對此問題，本文設計了一種拋物型聚光器聚光、光伏電池發電、熱管內水對流傳熱的一種聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統。通過對太陽輻照強度、冷卻水流量等參數對光伏/溫差復合發電系統運行溫度、輸出功率、輸出效率的影響進行分析，搭建了試驗平臺，并對該系統性能進行測試研究。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統組成與工作原理

基于文獻[17-18]的聚光太陽能溫差發電裝置與槽式聚光集熱吸收器采用三角形腔體具有良好熱效率的思想[19]，本文提出了具有三角形熱管結構的聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統。

該聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統（簡稱復合系統）主要由拋物型聚光器、光伏電池，三角形熱管、熱電模塊（thermoelectric module，TEM）、儲熱箱及熱交換器組成，系統結構示意圖如圖1所示。如圖1a所示，該系統利用太陽光照射在拋物型聚光器表面，經反射后聚集到光伏電池上。光伏電池吸收光能將小部分能量轉化為電能，其余大部分轉化為熱量，熱量通過光伏電池傳遞給溫差電池熱端，利用水作為冷卻劑流體在熱管內部流動，降低溫差電池冷端溫度，由塞貝克效應產生電能。同時將多余熱量轉移到熱管冷凝段上，儲存到儲熱箱進行熱利用，作為理想工作流體的水通過流量計控制流量。如圖1b所示，三角形熱管結構的中間部分為等邊三角形導管，三角形導管頂端覆有保溫層，兩側由內而外依次貼有溫差電池和光伏電池。

圖1 聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統的結構示意圖Fig.1 diagram of concentration solar photovoltaic(PV)/thermoelectric(TE) compound power generation system

考慮采用砷化鎵電池會對農作物有污染，而單晶硅與多晶硅相比成本較高，所以本文采用多晶硅光伏電池，借鑒文獻[17]中的經驗將電池尺寸制定為 700 mm×60 mm×2.3 mm。為了提高光伏電池的發電量，選取拋物型聚光器進行聚光，聚光鏡的光孔820 mm，長1100 mm，焦距300 mm，理論聚光比14；光線垂直入射時光伏電池的光線吸收率達到98.20%[20]。當太陽位置變化時，會改變聚光器的太陽光入射角，光線吸收率及系統光學效率逐漸降低，這將直接影響聚集到光伏電池表面輻照強度的強弱，所以將步進電機轉軸與反射聚光鏡的中軸連為一體，設置為南北方向，在豎直面內東西方向轉動使聚光器跟蹤太陽[21-25]。

本文系統采用14個材料為銻化鉍的半導體熱電模塊串聯，尺寸為40 mm×40 mm×3.9 mm，為獲得更高的傳熱性能，用硅酮膠將溫差電池熱端粘貼在光伏電池背板，冷端粘貼在三角形熱管表面。所選定的光伏電池及溫差電池性能參數如表1所示。

1.2 三角形熱管

三角形熱管由厚度為0.4 mm的鍍鋅鐵制成，以降低熱阻。根據試驗考慮，選擇三角形熱管的尺寸為 700 mm×60 mm（長×寬），其中蒸發段為600 mm×60 mm（長×寬），冷凝段為100 mm×60 mm（長×寬）。

太陽輻射光經過聚光器聚光反射到光伏電池表面，被吸收的太陽能一部分直接轉化為電能，其余被轉化為熱量并使光伏電池表面溫度升高。通過在光伏電池背板粘合溫差電池，利用溫差電池內部的塞貝克效應將光伏電池表面流向冷卻熱管熱量的一部分再次轉化為電能，剩余的熱量由熱管內循環的冷卻水傳遞到儲熱箱中儲存。

表1 光伏電池和溫差電池參數Table 1 Parameters of PV cell and TE cell

2 系統能量轉換與分析

2.1 電能轉換分析

經聚光器聚光后光伏電池吸收的太陽能[26-27]見式（1）。

式中G為太陽能直射輻射強度（direct normal irradiance，DNI），W/m2；A為聚光鏡面積，m2；optη為光學效率，取72%[18]。光伏電池將吸收的太陽能一部分轉換為電能，W，其發電功率見式（2）。

式中gτ為玻璃蓋板透射率，α為光伏電池吸收率，pA為光伏電池表面積，m2；pvη為光伏電池的光電輸出效率，其表達式見式（3）。

式中p0η為光伏電池在標準工況下的發電效率[28]，β為光伏層效率溫度因素，Tp為光伏電池表面溫度，Tp0為環境溫度，K。

溫差電池發電功率[29]見式（4）。

式中TEMα為溫差電池的塞貝克系數，V/K；Th為溫差電池熱端溫度，Tc為溫差電池冷端溫度，K；L2R 為溫差電池負載電阻，TEMR 為溫差電池的總內阻，?。溫差發電效率為[30]見式（5）。

式中Qh為光伏電池產生的熱能，J。

復合系統發電的總功率Pcom見式（6）。

考慮光伏電池實際工作中太陽輻照強度和環境溫度變化對效率的影響，引入效率變化輻照強度參數 k1、效率變化溫度參數k2[30]，k1、k2取值范圍均為0～1，其值根據試驗當天測得的太陽輻照強度和環境溫度設定，則復合系統電轉換效率comη見式（7）。

2.2 熱能轉換分析

為了計算聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統的熱損失，基于熱網絡法建立熱能量流動圖，如圖 2所示。為便于分析，熱管與空氣之間的熱輻射損失及溫差電池側面與環境之間的熱輻射損失忽略不計[31]。

圖2 聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統的熱能量流動圖Fig. 2 Thermal energy circuit diagram of concentration solar PV/TE compound power generation system

光伏電池將吸收的太陽能一部分轉換為電能，另一部分以熱能Qh的形式存在于光伏電池表面，見式（8）。

由于光伏電池與外界空氣接觸存在熱對流與熱輻射，則對周圍環境的散熱損失見式（9）。

式中Qrad為光伏電池與環境空氣的熱輻射換熱量[32]，Qcom為熱對流換熱量[33]，J，其表達式分別見式（10）、（11）。

式中 hrad為熱輻射換熱系數，hcom為熱對流換熱系數，W/(m2·K)。

該系統光伏電池表面熱量的一部分用于提高溫差電池熱端溫度，產生電能，則溫差電池產生電能所消耗的熱量見式（12）。

溫差電池與熱管蒸發段間熱阻損耗的熱量見式（13）。

式中czR 為溫差電池與熱管蒸發段熱阻，K/W；zT為熱管蒸發段溫度，K。

熱管傳熱過程中由于自身熱阻損耗的熱量見式（14）。

式中lT為熱管冷凝段溫度，K；hpR 為熱管自身熱阻，K/W。

系統產生的可利用熱能見式（15）。

復合系統的熱效率見式（16）。

2.3 ?效率分析

?是以環境為基準來衡量工質（氣體、液體為主）做功能力的物理量。熱效率只反映系統收集的熱量在量上的比例，而?效率反映了所收集到熱量的品質，即可用能。系統的?效率見式（17）[32]。

式中ΔE為系統得到的?，W/m2；Tsun為太陽溫度，℃；Tin為熱管進口溫度，Tout為熱管出口溫度，℃；m為熱管內水質量流量，kg/s；cp為傳熱流體比熱容，J/(kg·℃)；φ為系統的?系數。

系統得到的?見式（18）。

式中h1為熱管進口的比焓，h2為熱管出口的比焓，J/kg；s1為熱管進口的比熵，s2為熱管出口的比熵，J/(kg·℃)。

2.4 系統仿真結果與分析

根據表 1中的性能參數及試驗當天所測的環境溫度Tp0、光伏電池表面溫度Tp、太陽輻照強度G等數據運用ANSYS有限元軟件建立光伏電池三維溫度場模型，模擬溫度場分布情況；將溫度場分布規律及熱輻射換熱系數hrad、熱對流換熱系數hcom構建光伏電池的熱損失數學模型，繪出光伏電池表面溫度與熱損失的變化曲線。

圖 3為太陽輻照強度變化對光伏電池性能的影響。當環境溫度 Tp0在 254.52～261.64 K，太陽輻照強度在308.22～768.12 W/m2范圍變化時，從圖3a光伏電池的模擬溫度場分布規律中可以看出，光伏電池表面溫度從高溫端363.86 K開始呈階梯變化，逐漸減小至275.12 K。

由圖 3b光伏電池表面溫度與熱損失的變化曲線可知，在300～800 W/m2范圍內，光伏電池表面溫度隨輻照強度的增加而升高,同時，熱損失從 17.59%持續增加到24.62%。由公式（10）-（11）可知，光伏電池與環境空氣間存在輻射換熱，對流換熱。2種熱損失與光伏電池表面溫度成正比關系，所以隨著表面溫度升高，熱損失持續增加。

圖3 不同太陽輻照強度下光伏電池性能的變化Fig.3 Variation of performance for PV cell with different solar radiation intensity

3 聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統性能測試

3.1 系統測試及裝置參數

使用太陽能發電監控系統對復合系統中各組件輸出功率和太陽輻照強度等進行在線監測，用K型熱電偶測量光伏電池運行溫度、溫差電池熱端和冷端溫度，用數字溫度計測量環境溫度、冷卻管道進口/出口的溫度。流量計調節并讀出冷卻水流量。通過 NI-USB-6211數據采集卡與電腦聯機，對采集的數據進行擬合。為了提取光伏電池的特性曲線，用滑線變阻器作為發電系統中的負載，所用測試儀器參數如表2所示。

表2 測試儀器參數Table 2 Parameters of test instruments

3.2 測試方法

根據北方氣候特點，在哈爾濱市東北農業大學（45°72′N，126°68′E）園藝站進行試驗?？紤]實驗室設備有限，為追求較高聚光效果，采取人工調控聚光器角度的方法使聚光鏡跟蹤太陽。該系統采用聚光器聚光，聚光鏡的鏡面具有反射效果，所以通過聚光鏡中的鏡像對試驗各部分裝置進行標識，如圖4所示。

圖4 聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統測試Fig.4 Concentration solar PV/TE compound power generation system test

為了對2017年6月1日至2018年5月31日不同月份進行試驗測試，根據天氣預報，選取每個月份天氣晴朗、無風、光線好的一天進行試驗測試。由于東北地區冬季光照時間較短，為了全年的數據對比采集，所以測試時間選為試驗當天的09：00-15：00，歷時6 h。試驗主要測量數據包括光伏電池輸出電壓U，工作電流I，太陽輻照強度G，環境溫度Tp0，熱管進口溫度Tin，熱管出口溫度 Tout，光伏電池表面溫度 Tp，溫差電池熱端溫度Th，冷卻水流量qm。根據測得參數對聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統與無聚光光伏溫差混合發電系統（簡稱無聚光系統）分別在不同太陽輻照強度和水流量條件下的運行溫度、輸出功率、輸出效率進行對比試驗研究。

3.3 試驗結果與分析

由于東北地區冬季時間較長，且溫度較低，所以選取冬季的試驗進行主要分析。試驗當天測試了該復合系統及無聚光系統在不同太陽輻照強度和水流量條件下的溫度、輸出功率及效率等性能參數。

冷卻水流量是影響該復合系統電效率和熱效率的重要因素之一，在全天6 h的試驗中，通過流量計調控7組水流量（2～8 L/min），得出復合系統與無聚光系統電效率和熱效率的變化趨勢如圖5所示。

圖5 不同水流量下系統效率的變化Fig.5 Variation of efficiency on system with different water flow quantity

由圖 5可知，復合系統和無聚光系統電效率與熱效率在2～5 L/min范圍內均隨冷卻水流量的增加而升高，且復合系統電效率最高為20.98%，熱效率最高為39.81%；5～8 L/min范圍內，趨于穩定。主要是因為水流量越大，換熱系數越大，電效率與熱效率提高較快。但由于復合系統熱量有限，即使水流量繼續增加，復合系統的電效率與熱效率仍趨于穩定。

圖6為測試當天環境溫度及太陽輻照強度隨時間變化曲線，環境溫度Tp0在254.52～261.64 K，太陽輻照強度在308.22～768.12 W/m2范圍內變化。由圖6可知，在12：00-13：00期間環境溫度與太陽輻照強度均達到過最大值。由圖5可知，復合系統和無聚光系統的電效率與熱效率在5 L/min時達到最大值，因此試驗時利用流量計控制冷卻水流量為 5 L/min，用溫度計測得進口水溫度為276.42 K。

圖6 不同時刻下環境溫度和太陽輻照強度的變化Fig.6 Variation of ambient temperature and solar radiation intensity with different time

通過式（17）-（18）及上文所測試驗數據，可得到該復合系統在不同太陽輻照強度及溫差條件下的?效率曲線，如圖7所示。

圖7 不同溫度差值下復合系統?效率的變化Fig.7 Variation of exergy efficiency on compound system with various temperature difference

由圖 7可知，對不同的太陽輻照強度，系統的?效率隨溫差變化曲線趨勢相同，系統的最優運行溫度及最高?效率隨太陽輻照強度的降低而減小。當輻照強度為700 W/m2，系統的最優運行溫度約為91 ℃，對應的最高?效率為32.5%；而當輻照強度為400 W/m2時，系統的最優運行溫度約為52 ℃，對應的最高?效率為23.5%。

為驗證該復合系統的電功率與電效率均大于單一光伏、溫差發電系統，本文對復合系統及復合系統所采用的光伏電池和溫差電池進行對比試驗，得出光伏電池、溫差電池及該復合系統在相同冷卻水流量及進口水溫度條件下的電功率與電效率隨測試時間變化的曲線，如圖8所示。

圖8 3種發電方式輸出功率和效率的對比Fig.8 Comparison of output power and efficiency for three kinds of power generation method

由圖 8可知，在測試時間內，復合系統的電功率與電效率均大于光伏電池與溫差電池，3種發電方式的效率變化趨勢相似，且在 11：10-12：20時間段內達到最大值。

考慮單獨光伏電池發電和溫差電池發電與無聚光系統相比結構簡單，研究較多，所以本文主要對比分析復合系統與無聚光系統。在相同環境溫度、太陽輻照強度下，分別對復合系統和無聚光系統的運行溫度進行對比測試，運行溫度的對比曲線如圖9所示。

圖9 復合系統與無聚光系統運行溫度的對比Fig.9 Comparison of operating temperature between compound system and without concentration system

由圖 9可以看出，在測試時間內，本文所設計的復合系統運行最高溫度可以達到49.38 ℃，相同測試條件下無聚光系統運行最高溫度可以達到29.67 ℃，說明聚光后復合系統中的光伏電池具有更高的溫度。

圖10為復合系統和無聚光系統的輸出功率和效率的對比。

圖10 復合系統和無聚光系統輸出功率和效率的對比Fig.10 Comparison of output power and efficiency between compound system and without concentration system

由圖10a可以看出，復合系統輸出電功率為59.7～92.9 W，運行6 h平均功率為76.3 W，發出電量457.8 W·h。去除熱損失，獲得可利用熱功率最高為158.73 W，而無聚光系統輸出電功率在24.2～33.5 W范圍內變化，平均功率為28.85 W，發出電量173.1 W·h，最終獲得平均熱功率為86.5 W。復合系統與無聚光系統相比較，電功率比熱功率提高較多，由公式（2）、（4）可知，由于復合系統利用聚光器聚光，光伏電池所受光照強度增強，溫差電池熱端溫度升高，使復合系統電功率增加。

由圖 10b可以看出，復合系統與無聚光系統的電效率均是先增加后減少，在 12：00-13：00期間達到最大值，而熱效率變化平穩，原因是光伏電池電效率隨太陽輻照強度增加而增大；當到達一定輻照強度時，光伏電池表面溫度不斷升高，其輸出效率隨之降低、產生熱量增加。在測試時間段內，復合系統相較無聚光系統的電效率提高14.27%，熱效率提高15.71%。該試驗結果證明了復合系統的電/熱效率與無聚光系統相比均有所提高。

表3為系統在2017-2018年四季的電/熱效率變化情況，由表 3可以看出，在同一季節，輻照強度、環境溫度分別在最接近的環境下，不同的水流量，復合系統和無聚光系統的電效率與熱效率變化趨勢一致，在水流量為5 L/min時電效率與熱效率達到最大值。此時，春、夏、秋、冬四季復合系統最大電效率分別為21.01%、21.99%、21.11%、20.98%；最大熱效率依次為40.16%、43.78%、42.79%、39.81%，其中電效率與無聚光系統相比，增大了約 3倍，說明該復合系統適用于全年的溫度環境。利用三角形熱管內的水進行熱傳遞，導熱效果較好，使系統發電效率在春、夏、秋、冬四季均有所提高，最高分別可達 13.35%、13.1%、12.79%、13.53%。系統的電效率與熱效率隨季節的變化而改變，在夏季最高，冬季最低。

表3 不同季節（2017-2018）系統電/熱效率的變化Table 3 Variation of electrical/thermal efficiency on system under different seasons(2017-2018)

4 結 論

本文提出聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統的設計，利用拋物型聚光器聚光，光伏電池產生電能和熱能，熱能一部分為溫差電池熱端提供熱源，利用三角形熱管內的冷卻水使溫差電池冷端散熱，進行復合系統的二次發電；另一部分由冷卻水對流將熱量傳遞到儲熱箱中儲存。針對該系統建立數學模型并在哈爾濱地區對其可行性進行全年試驗驗證，得出以下結論：

1）該聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統利用拋物型聚光器，對太陽輻射光起到匯聚作用，提高了光照強度，使復合系統發電功率和效率均高于無聚光系統。利用三角形熱管內的水進行熱傳遞，導熱效果較好，使系統發電效率在春、夏、秋、冬四季均有所提高，最高分別可達13.35%、13.1%、12.79%、13.53%。

2）在全年測試該復合系統性能期間，系統的電效率與熱效率隨季節的變化而改變，在夏季最高，冬季最低。而在冬季效率最低的情況下，系統最大電效率可達20.98%，最大熱效率可達 39.81%，最大?效率可達32.5%。聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統基本可以實現為溫室內環境監測系統、照明設備供電，并能為作物生長提供部分熱能。

3）與已有的發電系統相比，聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統發電量較大，表現出較優的發電性能?？蔀闇厥覂拳h境監測系統、照明設備提供電能。同時，系統產生多余熱能可以儲存，為溫室作物生長提供部分熱能，實現太陽能利用最大化，因此該系統在太陽能綜合利用方面有較大的優勢。