PV/TEG/PCM熱控太陽能混合發電系統設計與實驗研究

肖麗仙，傅 雄，周紅紅，齊婉嫆，張顯傲，孟文杰

（楚雄師范學院 物理與電子科學學院，云南 楚雄 675000）

光伏發電中，由于受工作點、溫度等因素的影響，太陽電池僅能將5%～17%的太陽能轉換為電能，大于80%的太陽能，絕大部分入射到太陽電池內部被轉換為了熱能，太陽電池工作溫度升高［1，2］。一方面太陽電池轉換效率會降低，另一方面，太陽電池熱量耗散到環境中，未得到有效應用。如何有效控制和利用太陽電池產生熱量，提高光伏發電效率，正在成為一個新的研究領域。研究內容包括太陽能光伏/熱（PV/T）系統［3，4］和太陽能光伏/熱電（PV/TEG）系統［5］等。其中，將溫差電池與太陽電池集成，利用太陽電池產生熱量作為溫差電池熱源，設計光伏/熱電混合發電得到廣泛研究。例如，廖天軍等人［6］建立了光伏一溫差熱電混合發電模塊的數學模型，揭示了光伏一溫差熱電混合發電模塊的性能特性。研究結果表明，使用混合發電模塊可實現能源的梯級利用，提高太陽能的利用率和系統的效率及輸出功率。徐慧婷等［7］設計了一種混合利用光電和熱電的聚光光伏/溫差發電一體化裝置，在一定條件下，裝置的輸出功率能提高5.26%。王立舒等［8］，設計了一種利用拋物型聚光器的聚光太陽能光伏/溫差復合發電系統，冬季測試期間電效率最高達到20.98%。上述理論及實驗研究表明，光伏溫差混合發電是可行的。但在實際應用中，有效保持光伏/溫差系統中溫差電池冷端溫度較為困難，系統輸出能量增加不明顯。本文中，為了控制PV/TEG溫度，提高系統輸出，設計了相變熱控PV/TEG/PCM混合發電系統，利用相變材料（PCM）相變時吸收熱量溫度不變的特性，控制溫差電池冷端溫度，提高系統輸出效率，并對其熱控特性及輸出電特性開展研究。

1 PV/TE/PCM熱控混合發電器結構

PV/TEG/PCM混合發電器結構示意圖如圖1所示。包括光伏電池、溫差電池和相變熱控單元。溫差電池熱端通過導熱硅膠與光伏電池背面集成，吸收太陽能電池的熱量。溫差電池冷端通過導熱硅膠與相同面積的散熱片集成。相變熱控單元吸收溫差電池冷端熱量控制其溫度，使得溫差電池冷端和熱端形成溫差，達到控制系統溫度，提高系統輸出效率的目的。

圖1 PV/TE/PCM發電器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of PV/TE/PCM generator

2 PV/TEG/PCM熱控發電原理

根據PV/TEG/PCM熱控混合發電器結構，從光伏發電、溫差發電和PV/TEG/PCM熱控三方面介紹該混合發電系統的基本原理和特性。

2.1 光伏發電基本原理及特性單體硅光伏電池理想形式與實際形式的等效電路如圖2（a）、（b）所示。光伏電池輸出功率與電池板的面積、入射光的強度和外界環境溫度等有關［9］。

圖2 單體硅光伏電池等效模型Fig.2 Equivalent model of single silicon photovoltaic cell

其輸出短路電流及開路電壓分別如（1）、（2）式所示。

其中，I0為光伏電池內部等效二極管的P-N結反向飽和電流，I SC為電池的短路電流，q為電子電荷（1.6×10－19庫侖），k為玻爾茲曼常數（0.86×10-4eV/k），T為絕對溫度。

對于晶硅太陽電池，溫度每升高1℃，其轉換效率將下降0.45%。太陽電池光電轉換效率與溫度變化之間關系如（3）式所示［2］。

2.2 溫差發電基本原理及特性溫差發電是利用塞貝克效應直接將熱能轉化為電能，具有體積小、無噪聲、可靠性高等特點。溫差發電結構示意如圖3、4所示。

圖3 溫差電效應示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermoelectric effect

圖3、4中，處在溫差環境中的兩種具有不同自由電子密度（或載流子密度）的金屬導體（或半導體）A、B相互接觸時，如果使兩個接頭1和2間維持在不同溫度和，即產生溫度差ΔT，則在導體A的開路位置x和y之間，將會出現電位差，數值為［10］：

（4）式中，αab為塞貝克系數（V/K），其數值及正負取決于導體A和B的溫差電特性，與溫差梯度的大小和方向無關。

溫差電池實際輸出到負載R L上的電壓V0還與溫差電池內阻R0有關，可表示為：

輸出電流可表示為：

溫差發電系統輸出功率可表示為：

從（4）～（7）式可以看出，要提高溫差發電輸出功率，關鍵在于保持冷熱端有足夠大的溫度差。

圖4 溫差發電系統原理圖Fig.4 Schematic diagram of thermoelectric power generation system

2.3 PV/TEG/PCM熱控PV/TEG/PCM中，太陽電池產生的熱量為溫差電池熱端熱源，根據溫差電池的熱電轉換特性，熱端、冷端的能量方程可表示為［11］：

（8）、（9）式中，S pn為PN結的塞貝克系數（V/K），T h為P N結熱端溫度（K），T c為PN結冷端溫度（K），K pn為PN結熱阻（W/K），R pn為PN結的電阻（Ω），N為半導體溫差電池中PN結對數，I為溫差電池回路電流（A）。

在TEG/PCM系統中，假設溫差電池與PCM熱控單元之間的接觸熱阻很小，忽略不計，則溫差電池冷端熱量等于PCM熱控單元吸收熱量。

PCM熱控單元中，相變材料封裝在鋁殼中。熱控單元吸收溫差電池冷端熱量，一部分存儲在熱控單元中Q st，另一部分通過熱控單元表面耗散到環境中Q da。

其中，通過熱控單元表面耗散到環境中的Q da包括鋁殼對外界環境的對流散熱量Q hb和輻射散熱量Q rb，可表示為：

對流散熱量Q hb可表示為：

（11）式中，A AI為鋁殼背面和側面的表面積（m2），A AI為鋁殼與空氣之間的對流系數（W/（m2.K）），A AI為鋁殼溫度（K），T a為環境溫度（K）。

（12）式中C0為輻射系數，其值C0=5.67 W/（m2·K4）。

熱控單元存吸收量Q st可表示為：

（13）式中，m pcm為相變材料的質量（kg），C pcm為相變材料的比熱容（kJ·kg-1·K-1），C AI為鋁殼的比熱容（kJ·kg-1·K-1），m AI為鋁殼的質量（kg），H m為相變材料的相變熱焓（kJ·kg-1），T i為相變材料的初始溫度（K），T f為相變材料的相變溫度（K）。

由于熱控單元溫度較低，通過其表面耗散熱量較少，太陽溫差電池冷端熱量絕大部分存儲在熱控單元中。為了有效實現溫差電池溫度控制，相變材料相變溫度與冷端溫度之間的匹配十分關鍵。

3 樣機設計與特性測試

根據PV/TE/PCM混合發電器結構，我們設計了PV/TEG/PCM樣機，并對其特性進行測試。

3.1 PV/TE/PCM熱控混合發電器樣機設計設計的PV/TEG/PCM樣機，太陽電池選用非晶硅太陽電池組件，其標準功率5W，外形尺寸270×200×17 mm，如圖5所示，具體參數如表1所示。

圖5 樣機及測試照片Fig.5 Prototype and test photos

表1 太陽電池參數Table 1 Solar cell parameters

其次，選用由10片127對溫差發電單元組成的溫差電池串聯，構成溫差電池發電器，其安裝在太陽電池背面。單個溫差電池長寬為30 mm×30 mm；每個發電單元的尺寸為2 mm×2 mm，高為5 mm。另外，根據SA-LA二元復合材料相圖特性和太陽電池的溫度特點，選取了SA（硬脂酸）質量分數為35%、LA（月桂酸）質量分數為65%混合相變材料，其峰值熔點為42.9℃。其DSC曲線（熱譜圖）如圖6所示。

圖6 SA-LA二元混合PCM的DSC圖Fig.6 DSC diagram of sa一la binary hybrid PCM

根據太陽電池組件的結構，用厚度為2 mm鋁板加工了尺寸為23×16×3 cm相變材料封裝鋁殼。將LA-SA-EG復合相變材料裝入鋁殼中封裝，與太陽電池板集成制備出PV/TEG/PCM太陽電池熱控實驗樣機，太陽電池、溫差電池與PCM鋁盒間涂有1 mm厚導熱硅膠，目的在于增加其導熱。

3.2 實驗測試結果及分析在室內模擬光源下，對PV/TEG/PCM系統樣機和單一PV系統開展對比實驗測試。測試系統由多路數據采集卡、溫度變送器、計算機等組成，測試內容包括太陽電池輸出電壓、電流，溫差電池輸出電壓、電流，太陽電池溫度等。樣機測試照片如圖5所示，測試結果如圖7、8、9所示。

從圖7可以看出，PV/TEG/PCM系統對太陽電池溫度升高的控制作用明顯，PV/TEG/PCM系統與單一PV系統相比，太陽電池的最大溫度差為17℃。測試期間PV/TEG/PCM系統太陽電池平均溫度為48.9℃，單一PV系統太陽電池平均溫度為61.6℃。太陽電池輸出功率如圖8所示，PV/TEG/PCM系統太陽電池輸出平均功率為4.46 W，單一PV系統太陽電池平均輸出功率為4.25 W，PV/TEG/PCM系統太陽電池輸出平均功率與單一PV系統相比增加4.9%。另外，從圖9中可以看出，溫差電池最大輸出功率達到4.12 mW。

圖7 太陽電池溫度Fig.7 Solar cell temperature

圖8 太陽電池輸出功率Fig.8 Solar cell output power

圖9 溫差電池輸出功率Fig.9 Output power of thermoelectric battery

4 結論

利用相變材料的溫控特性，設計PV/TEG/PCM太陽能混合發電系統，理論與實驗測試研究表明，利用相變材料相變過程吸收熱量溫度不變的特性，是一種較好解決PV/TEG系統溫度控制的方法。與單一PV系統相比，在PV/TEG/PCM系統中，太陽電池溫度能降低最大17℃，太陽電池輸出功率能增加4.9%。