聚光光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電裝置的研究

賴相霖，肖文波，黃蘇華，王 慶，劉萌萌，王增輝，徐懷銀，呂晨晨，余林錦

（南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院大學(xué)物理國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，江西南昌330063）

1 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求越來越大.能源儲(chǔ)存的有限量問題促使人類去開發(fā)、尋找和應(yīng)用新的替代能源.世界各國日益重視環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展，自然會(huì)把目光投向太陽能的開發(fā)利用[1－3].盡管太陽能是地球上外來的清潔無污染且永不耗竭的能源，但是太陽能作為能源利用時(shí)，存在以下兩大缺陷：第一轉(zhuǎn)換效率低，第二制造成本高.為了進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本，減少太陽電池芯片的消耗，聚光技術(shù)是一項(xiàng)可行的措施[4]，即通過采用廉價(jià)的聚光系統(tǒng)將太陽光會(huì)聚到面積很小的高性能光伏電池上，從而大幅度地降低系統(tǒng)的成本及昂貴的太陽電池材料用量.但聚光條件下，太陽電池的溫度會(huì)升高，嚴(yán)重影響太陽電池的性能，從而降低太陽光能量的利用效率[5－7].因此，利用太陽光照射下的升溫效應(yīng)，太陽能溫差發(fā)電被提出來[8－10]，但溫差發(fā)電利用太陽能的效率還是較低，因此結(jié)合聚光發(fā)電和溫差發(fā)電模式被提出[11－12].

聚光發(fā)電可以提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，溫差發(fā)電則恰好利用了光伏發(fā)電中不需要的熱能，結(jié)合聚光發(fā)電和溫差發(fā)電可實(shí)現(xiàn)太陽能能量的整體利用效率.但是目前研究中設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，我們提出了基于砷化鎵多結(jié)太陽能電池、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.該裝置主要是由聚光光伏發(fā)電模塊及半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊組成，通過模塊間相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)太陽能量利用率提高的目的.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示，硬件主要由聚光光伏發(fā)電模塊及半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊組成.聚光發(fā)電模塊主要由240mm×240mm菲涅爾透鏡、10mm×10mm砷化鎵多結(jié)電池及60mm×60mm×0.4mm紫銅散熱片組成.太陽光經(jīng)過菲涅爾透鏡聚光后照射在砷化鎵多結(jié)電池上發(fā)電，紫銅散熱片給電池芯片降溫.溫差發(fā)電模塊主要由56mm×56mm×5mm的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片（型號(hào)為TEP1－12656－0.8）及水冷卻箱組成，溫差發(fā)電片的熱端通過紫銅散熱片傳熱，冷端通過水冷卻箱進(jìn)行降溫；該模塊還帶有液晶顯示屏，可以通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)利用電磁閥控制出水口水的流速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水冷卻箱里水溫的控制.

圖1 聚光光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電裝置示意圖

2.2 聚光發(fā)電模塊設(shè)計(jì)方案

聚光部分設(shè)計(jì)如圖2所示，聚光發(fā)電模塊包括菲涅爾透鏡、1cm2的砷化鎵多結(jié)電池以及帶有紫銅散熱片的散熱底座.結(jié)構(gòu)中4根柱子將菲涅爾透鏡托起，透鏡所在平面與砷化鎵電池所在平面相平行，且過透鏡中心的法線也通過電池中心.工作原理為太陽光照射在菲涅爾透鏡上，經(jīng)匯聚后照射在砷化鎵電池上，由砷化鎵電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化獲得電能.因?yàn)樘柟饨?jīng)點(diǎn)聚焦式光學(xué)聚光器聚焦后能在很小的面積上產(chǎn)生很高的溫度，可達(dá)達(dá)500℃以上[13]，所以在電池背面采用紫銅進(jìn)行散熱，與紫銅另一面緊貼的是溫差發(fā)電片的熱端.

圖2 聚光模塊結(jié)構(gòu)圖

裝置中可改變系統(tǒng)幾何聚光比實(shí)現(xiàn)照射到太陽電池上光能量的變化（幾何聚光比的定義為[14]：光學(xué)系統(tǒng)的入射孔徑平面面積與出射孔徑平面面積的比值，可通過改變透鏡與電池的距離來改變幾何聚光比）.

2.3 溫差發(fā)電模塊設(shè)計(jì)方案

溫差發(fā)電模塊設(shè)計(jì)如圖3所示，該模塊采用紫銅散熱片將熱量從砷化鎵多結(jié)電池傳到溫差發(fā)電片的熱端，冷端采用水冷卻的方式進(jìn)行降溫，形成溫差，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能.

在聚光光伏系統(tǒng)上加溫差發(fā)電模塊，一方面給溫差發(fā)電片熱端提供熱源，同時(shí)又給砷化鎵電池降溫.水冷卻系統(tǒng)采用智能控制方式，使水冷卻箱里的水溫穩(wěn)定在測(cè)定溫度.水溫控制系統(tǒng)分為4部分：水溫檢測(cè)、水溫顯示、水溫設(shè)定、電磁閥控制.溫度檢測(cè)用DS18B20溫度傳感器，測(cè)溫范圍－55～＋125℃，現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出給單片機(jī).水溫顯示采用lcd1602液晶顯示模塊，第一行顯示測(cè)試溫度，第二行顯示設(shè)定溫度；單片機(jī)通過處理溫度傳感器檢測(cè)的信號(hào)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示模塊上.模塊設(shè)定按鍵，通過按鍵對(duì)單片機(jī)的操作，可以增大或減小溫度設(shè)定值.直流電磁閥為一種電流控制閥門開閉的裝置，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到水溫大于設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)經(jīng)過信號(hào)處理，使繼電器吸合，電磁閥打開；電磁閥打開后，一方面水經(jīng)出水口慢慢流出，另一方面自來水經(jīng)進(jìn)水口慢慢流進(jìn)水箱；當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到水溫小于設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，使繼電器斷開，電磁閥斷開，出水口關(guān)閉.

圖3 溫差發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

光電轉(zhuǎn)化率與幾何聚光比的關(guān)系如圖4所示.單獨(dú)聚光光伏發(fā)電模塊條件下，電池的效率隨聚光倍數(shù)的增大先增大后減小，在75倍時(shí)達(dá)到最大值31.87%，而在聚光倍數(shù)最大的420倍時(shí)卻只有4.49%.原因是聚光倍率越高，光電池獲得的熱流密度就越高，電池溫度就會(huì)升得越高，那么導(dǎo)致太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率就會(huì)下降[15].聚光光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電裝置的電池的效率同樣隨聚光倍數(shù)的增大先增大后減小；由結(jié)果可以看出，加入溫差發(fā)電模塊后的效率得到了一定的提高，由原先的31.87%增加為32.81%；而且最大效率時(shí)的幾何聚光比單獨(dú)聚光光伏發(fā)電模塊要大，原因是溫差發(fā)電模塊使得太陽電池降溫，可以實(shí)現(xiàn)較大的幾何聚光比.

圖4 光電轉(zhuǎn)化率與幾何聚光比的關(guān)系

4 結(jié) 論

通過對(duì)聚光光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電裝置的理論分析以及測(cè)量分析，可知基于砷化鎵多結(jié)太陽能電池、半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的聚光光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電裝置是可行的，且發(fā)現(xiàn)聯(lián)合裝置的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)32.81%，可以整體提高光電轉(zhuǎn)化效率.

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