光伏-溫差復(fù)合發(fā)電的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀

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[摘 ? ?要]為了節(jié)約化石能源，保護(hù)地球的生態(tài)環(huán)境，提高光伏發(fā)電的效率等，人們提出了光伏-溫差發(fā)電這種新型的發(fā)電模式，它可以有效利用光伏發(fā)電產(chǎn)生的熱量，改善太陽(yáng)能電池板因溫度過(guò)高燒壞的問(wèn)題。文章主要回顧了國(guó)內(nèi)外的研究歷程及現(xiàn)狀，分析了發(fā)電效率，給出了一部分解決措施。

[關(guān)鍵詞]光伏-溫差混和發(fā)電;效率;可靠性

[中圖分類號(hào)]TM61 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–0–03

Research Progress and Status of Photovoltaic Temperature

Difference Hybrid Power Generation

Zhang Wen-han

[Abstract]In order to save fossil energy， protect the earth's ecological environment and improve the efficiency of photovoltaic power generation， a new power generation mode of photovoltaic temperature difference power generation is proposed. It can effectively use the heat generated by photovoltaic power generation and improve the burning problem of solar panels due to high temperature. This paper mainly reviews the research process and current situation at home and abroad， analyzes the power generation efficiency， and gives some solutions.

[Keywords]photovoltaic temperature difference hybrid power generation; efficiency; reliability

隨著環(huán)境惡化、能源危機(jī)、全球變暖等問(wèn)題日益突出，可再生能源已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的發(fā)展目標(biāo)和組成能源戰(zhàn)略不可或缺的一部分。對(duì)比其他可再生能源，由于太陽(yáng)能的經(jīng)濟(jì)性、普遍性、清潔性符合可持續(xù)發(fā)展的要求，太陽(yáng)能成為各個(gè)國(guó)家能源開(kāi)發(fā)研究的重點(diǎn)對(duì)象。光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能發(fā)電的重要組成部分，光伏發(fā)電具有無(wú)消耗、無(wú)污染、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在光電的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，只有波長(zhǎng)范圍在200～800 nm的光用于光電轉(zhuǎn)換，而其他波長(zhǎng)的就會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能，這些熱能一小部分散失在空氣中，另一部分則會(huì)引起太陽(yáng)能電池板的發(fā)熱，這樣不僅會(huì)降低發(fā)電效率，還會(huì)損壞太陽(yáng)能電池板，使其“變黃”甚至?xí)_(kāi)裂。在這種情況下，綠色環(huán)保的溫差發(fā)電可以解決上述問(wèn)題。

溫差發(fā)電的原理是：P型的富空穴材料和N型的富電子材料相連結(jié)后可以形成PN結(jié)，至于高溫的狀態(tài)時(shí)，另一端處于一個(gè)低溫狀態(tài)，在熱激發(fā)的作用下，P（N）型材料的高溫端空穴（電子）濃度明顯高于低溫端，由于兩端具有濃度差，電子以及空穴逐漸向溫度低的一端擴(kuò)散，這樣就會(huì)形成電動(dòng)勢(shì)，完成了將高溫端的熱能變?yōu)殡娔艿霓D(zhuǎn)化過(guò)程。如果串聯(lián)起許多的PN結(jié)，就會(huì)得到足夠高的電壓形成溫差發(fā)電器。溫差發(fā)電可以利用太陽(yáng)能發(fā)電板的余熱進(jìn)行發(fā)電，這樣一來(lái)就降低了太陽(yáng)能電池板的表面溫度，延長(zhǎng)電池板的壽命，提高發(fā)電效率。本文基于目前光伏-溫差發(fā)電的現(xiàn)狀進(jìn)行討論研究。

1 國(guó)內(nèi)光伏-溫差發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展

2009年，于紅云提出一種混合能源的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究。2010年，劉永生等運(yùn)用太陽(yáng)能電池的溫度特性以及溫差發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)明出一種新型冰箱模型，其驅(qū)動(dòng)源是光伏-溫差發(fā)電系統(tǒng)。2012年，郭常青等對(duì)分頻型、聯(lián)合型太陽(yáng)能光伏-溫差復(fù)合發(fā)電進(jìn)行建模，并討論了在不一樣的聚光比以及換熱系數(shù)下的效率;賴相霖等人設(shè)計(jì)了基于砷化鎵多結(jié)太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的聚光光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電裝置，提高了太陽(yáng)能量的利用率，進(jìn)而提高了整體光能量轉(zhuǎn)化的電能效率。2013年，張麗麗等發(fā)明出一種太陽(yáng)電池-溫差電池的復(fù)合電源;廖天軍等人對(duì)光伏-溫差混合發(fā)電進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，研究了其性能。2014年，廖天軍等對(duì)低倍聚光的混合發(fā)電的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，對(duì)其性能進(jìn)行提升和改進(jìn)。2015年，王立舒等為提高太陽(yáng)能發(fā)電效率以及解決溫室常規(guī)能源供電耗能多的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了cpc型聚光光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng);吳雙應(yīng)等人建立了用納米流體作為冷卻的光伏-溫差發(fā)電系統(tǒng)的模型，研究了不同環(huán)境因素、負(fù)載、熱電材料等對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。2016年，郭瑞芳通過(guò)試驗(yàn)得出了不相同的聚光比以及冷卻水流量對(duì)于發(fā)電效率和冷卻水流量對(duì)發(fā)電效率的影響。2017年，謝旭等開(kāi)發(fā)了基于聚光光伏溫差復(fù)合發(fā)電的發(fā)電瓷片。2018年，王立舒等為解決由于太陽(yáng)能電池板溫度上升而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降的問(wèn)題，引入熱開(kāi)關(guān)對(duì)裝置進(jìn)行控制，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。2019年，徐慧婷等運(yùn)用聚光透鏡解決了太陽(yáng)能能流密度低的問(wèn)題，并用紫銅片進(jìn)行熱傳遞，進(jìn)而提高電池轉(zhuǎn)換效率;王立舒等通過(guò)采用plc的雙軸跟蹤、黑鉻鍍金膜液態(tài)金屬填充硅脂優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)。2020年，黃勵(lì)志對(duì)高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。2021年，李欣然等人探究了輻照度和接觸熱阻在不同的溫差電池與光伏電池面積比下對(duì)復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的影響的規(guī)律;宋釗等人研究出1種光伏與多級(jí)溫差復(fù)合發(fā)電器，高效利用太陽(yáng)能的全光譜，提高了發(fā)電效率;朱建偉開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了用光伏-溫差發(fā)電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)云監(jiān)測(cè)的恒溫冷鏈寄遞包裝盒。

由以上可知，在全球環(huán)境惡化、能源短缺以及國(guó)內(nèi)“雙碳”目標(biāo)的背景下，提高光伏發(fā)電效率是當(dāng)前許多研究人員的關(guān)注焦點(diǎn)，將光伏組件與熱電組件相結(jié)合是1種前景廣闊的發(fā)電模式，且人們的研究越來(lái)越深入，在未來(lái)光伏-溫差混合發(fā)電的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

2 光伏-溫差發(fā)電系統(tǒng)的類型及原理

現(xiàn)如今的光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)一般分為兩類：分頻型光伏-溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)和聯(lián)合型光伏-溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)。分頻型是把聚焦后的太陽(yáng)光利用分離器分離，波長(zhǎng)較短的光用于光伏發(fā)電，其余波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)化為熱量后用于溫差發(fā)電。聯(lián)合型是指將太陽(yáng)能通過(guò)聚光裝置聚集后，將其匯聚于溫差發(fā)電器的熱端，就會(huì)形成發(fā)熱的高溫端，這樣一來(lái)，使得電池溫度升高的熱能用來(lái)發(fā)電，不僅增長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，還提高了發(fā)電效率（見(jiàn)圖1—圖2）。

3 光伏-溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)存在的問(wèn)題

光伏-溫差復(fù)合發(fā)電作為一種新型的發(fā)電模式，相較于傳統(tǒng)的發(fā)電模式具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但其存在效率不高、可靠性差、受環(huán)境因素影響較大等問(wèn)題。

3.1 發(fā)電效率問(wèn)題

在科技水平日益提高的情況下，基于原本的技術(shù)方向提高太陽(yáng)能電池效率需要投入更大的精力與財(cái)力。20世紀(jì)80—90年代世界太陽(yáng)能電池最高效率從22%提高到23.3%，再?gòu)?3.3%提高到25%，均花費(fèi)了10a左右的時(shí)間，現(xiàn)如今，柔性太陽(yáng)能電池板最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到31%。由此可見(jiàn)，提升一點(diǎn)太陽(yáng)能光發(fā)電的效率都是十分不容易的，所以可通過(guò)提升溫差發(fā)電模塊的效率來(lái)提升總體的發(fā)電效率。光伏—溫差復(fù)合發(fā)電的能量傳遞、轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖3所示。

其中，太陽(yáng)向光伏電池傳輸?shù)哪芰繛橛洖镼，光伏電池向溫差發(fā)生器傳遞的能量記為QH，溫差發(fā)生器傳遞給冷卻系統(tǒng)的能量為記QL，損失的能量記為QPV，光伏電池和溫差發(fā)生器產(chǎn)生的電能分別為PPV和PTE。根據(jù)發(fā)電過(guò)程示意圖可以得到：

其中，α為塞貝克系數(shù);Ri為內(nèi)阻;ITE工作電流;Tl冷端溫度;Th為熱端溫度;k為傳導(dǎo)系數(shù)。其傳輸功率為：

令，Z為優(yōu)值系數(shù)，因此可得：

則溫差發(fā)電的效率為：

由溫差發(fā)電效率的公式不難得知，溫差發(fā)電的效率與優(yōu)值系數(shù)、負(fù)載和冷熱端溫度差等因素有關(guān)，因此可以從這些方面對(duì)溫差模塊的效率進(jìn)行提升。

①可以通過(guò)提高優(yōu)值系數(shù)來(lái)提高效率。優(yōu)值系數(shù)可以衡量不同熱電材料的性質(zhì)，而且它是最重要的參數(shù)之一。現(xiàn)如今，最廣泛使用的熱電材料是Bi2Te3，它在室溫下的優(yōu)值系數(shù)是1左右，但是用其制作的溫差發(fā)電模塊的效率小于10%，因此可以用超晶格薄膜熱電材料、納米材料等優(yōu)值系數(shù)較高的熱電材料。②可以通過(guò)提升冷熱兩端溫差來(lái)提高效率。目前我國(guó)主要的冷卻處理方式有風(fēng)冷、液冷、相變散熱。空氣冷卻分為自然風(fēng)冷和強(qiáng)制風(fēng)冷，其原理是需要增大對(duì)流換熱以及輻射換熱的面積將低溫端的熱量帶走，一般用散熱片作為熱交換器。由于液體的換熱系數(shù)比氣體大，所以液冷的散熱效率高。相變散熱是用材料相態(tài)變化時(shí)需要吸收的熱量來(lái)冷卻，熱管冷卻是相變散熱的最主要的處理方法。若想要進(jìn)一步提高散熱效率，還可以采用納米流體冷卻的方式。

從另一個(gè)方面考慮，因?yàn)楣夥l(fā)電的效率與太陽(yáng)能電池板工作的溫度相關(guān)，溫差發(fā)電模塊的效率受冷熱端溫度差的影響，光伏-溫差復(fù)合發(fā)電效率還與聚光比有關(guān)。對(duì)于分頻型復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，溫差發(fā)電效率隨聚光比的增大而增大，光伏發(fā)電隨聚光比不同呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)：當(dāng)聚光比小于30h，光伏發(fā)電效率隨聚光比增大而增大;當(dāng)聚光比大于30h，發(fā)電利用率隨聚光比的增加有些許下降，因此通過(guò)分頻型復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電的效率隨聚光比的增大而增大。對(duì)于聯(lián)合型復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，由于光伏發(fā)電的效率隨著聚光比的升高而降低，溫差發(fā)電的效率隨著聚光比的升高先變大后減小，聯(lián)合型的混合發(fā)電系統(tǒng)其整體效率隨著聚光比的增大而降低。因此對(duì)于不同的類型的發(fā)電系統(tǒng)，選擇合適的聚光比也是十分重要的。

3.2 可靠性問(wèn)題

光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性不高，內(nèi)部原因主要有以下兩點(diǎn)：①光伏發(fā)電過(guò)程中，由于太陽(yáng)能電池板表面溫度較高，可能會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板變黃甚至開(kāi)裂，這一溫度的影響雖然可以通過(guò)結(jié)合溫差發(fā)電器減弱，但仍然會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池板造成損害，而且這種損害不可逆。②如果想得到較高的溫差發(fā)電效率，就需要增大冷熱兩端的溫度差，但將會(huì)導(dǎo)致連接片的熱端膨脹或冷端收縮，從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。這種機(jī)械應(yīng)力會(huì)使電臂或接頭很容易斷裂，可能會(huì)損壞溫差電偶，縮短了其使用時(shí)間。

3.3 環(huán)境影響

太陽(yáng)光的照射為光伏發(fā)電提供能量來(lái)源，雖然太陽(yáng)給予地球的能量之和很大，但是地球本身的表面積非常大，并且地球的大部分被海洋所覆蓋，因此，能夠到達(dá)陸地表面的太陽(yáng)能只有到達(dá)地球范圍的太陽(yáng)能的10%左右，從而陸地只能獲得十分少的太陽(yáng)能量，能量密度很低。太陽(yáng)光受氣候影響十分劇烈，陰天、霧天以及雨雪天都會(huì)對(duì)發(fā)電的狀態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，有時(shí)甚至是云層的變化也會(huì)對(duì)發(fā)電狀態(tài)有影響。如果空氣中的灰塵等浮在電池板的表面，都會(huì)影響到發(fā)電效率，損壞電池組件。空氣中濕度較大時(shí)，會(huì)對(duì)溫差發(fā)電器產(chǎn)生影響，水分會(huì)在冷接頭附近形成結(jié)露，然后形成一次電池，這樣會(huì)使得在接頭處產(chǎn)生電腐蝕作用，損壞焊接頭。

4 結(jié)論

光伏-溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電形式，溫差發(fā)電利用光伏發(fā)電的余熱進(jìn)行發(fā)電，不僅改善了太陽(yáng)能電池板因?yàn)楦邷刈凕S甚至開(kāi)裂的問(wèn)題，還對(duì)浪費(fèi)在空氣中的余熱進(jìn)行再次利用，不需要額外的資源投入，是在化石資源日益短缺的情況下的必然發(fā)展趨勢(shì)，會(huì)在未來(lái)得到更好的發(fā)展。本文對(duì)混合發(fā)電模式存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了一些解決措施。

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