一種多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的可行性研究

渠滿，職更辰，屈國(guó)建

（1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306；2.浙江中控流體技術(shù)有限公司，浙江杭州 310053）

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)利用清潔的可再生能源勢(shì)在必行。光伏發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式，以其無(wú)污染、無(wú)噪音、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)顯示出無(wú)比廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，是最具潛力的能源開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）來(lái)源免費(fèi)，與其他形式的可再生能源相比，太陽(yáng)能是來(lái)源最豐富且最穩(wěn)定的能源[1]；2）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)易運(yùn)輸、安裝，建設(shè)周期短；3）運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，光伏系統(tǒng)只需要周期性檢查和少量維護(hù)工作；4）太陽(yáng)能是清潔的可再生能源[2]，在開(kāi)發(fā)利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣、也不會(huì)產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，是理想的清潔能源。我國(guó)具有豐富的太陽(yáng)能資源，我國(guó)總面積2/3以上的地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)在2000 h以上，年平均日輻射量在4000 MJ/m2以上，目前,中國(guó)太陽(yáng)能利用產(chǎn)品已形成千億元規(guī)模的產(chǎn)業(yè)[3]。

盡管光伏發(fā)電有許多的優(yōu)點(diǎn)，但還是存在一些急需解決的問(wèn)題，例如：太陽(yáng)能電池的峰值功率會(huì)隨著溫度的升高而降低，而太陽(yáng)能電池只有在高光強(qiáng)下工作，才會(huì)有較高的轉(zhuǎn)換效率。因此設(shè)計(jì)一套合理的散熱系統(tǒng)對(duì)提高發(fā)電效率，延長(zhǎng)使用壽命起到十分重要的作用。傳統(tǒng)的冷卻方式雖然降低了光伏組件的效率，但是卻將組件產(chǎn)生的熱量白白浪費(fèi)掉了。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文提出一種兩全其美的解決方案，即在光伏組件的背面連接一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換模塊，形成一個(gè)光伏—熱電（PV-TE）混合模型。熱電轉(zhuǎn)換模塊將光伏組件產(chǎn)生的廢熱在溫差的作用下重新轉(zhuǎn)換成電能，從而既降低了光伏組件的溫度提高了轉(zhuǎn)換效率又產(chǎn)生了額外的電能。

1 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

本文討論的多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由拋物型雙面聚光板、光伏組件、熱電轉(zhuǎn)換模塊、導(dǎo)線、控制器、蓄電池等部件組成，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要完成最大功率點(diǎn)跟蹤、蓄電池充電、負(fù)載供電和蓄電池保護(hù)等功能，其性能的好壞直接決定了整個(gè)光伏系統(tǒng)的性能[4]。

圖1 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multifunctional photovoltaic power generation system

1.2 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

光伏組件或電池板的工作性能會(huì)受到室外高溫的影響，根據(jù)集成類型，電池板的溫度可達(dá)60～80℃，導(dǎo)致效率損失約20%[2]，因此冷卻電池板將會(huì)提高轉(zhuǎn)換效率。但是，基于空氣或水的主動(dòng)冷卻系統(tǒng)不僅需要電能來(lái)驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)而且也把廢熱浪費(fèi)到了環(huán)境中。鑒于此種情況，本文提出了一種新型的解決方案，并將其做成百葉窗的形式，從而實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電—建筑節(jié)能一體化。其工作原理及系統(tǒng)圖如圖2、圖3、圖4、圖5所示。拋物型雙面聚光板可根據(jù)室內(nèi)采光通風(fēng)需要調(diào)整開(kāi)度，與普通百葉工作原理相同。

圖2 百葉關(guān)閉時(shí)側(cè)視圖Fig.2 The louvers in closed mode

圖3 百葉打開(kāi)時(shí)側(cè)視圖Fig.3 The louvers in open mode

圖4 光伏-熱電混合模塊Fig.4 PV-TE hybrid module

圖5 百葉系統(tǒng)圖Fig.5 Schematic diagram of the louver system

系統(tǒng)工作原理如下：當(dāng)百葉處于閉合狀態(tài)時(shí)，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)拋物型雙面聚光板反射聚集在光伏組件上，通過(guò)光伏組件將光能轉(zhuǎn)換為電能，隨著光伏組件的工作，其溫度不斷升高，溫度可高達(dá)80度，而周圍環(huán)境溫度僅有20多度，熱電模塊以光伏模塊作為熱端，環(huán)境溫度作為冷端，在50多度的熱電動(dòng)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下將光伏組件產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)換成電能。二者產(chǎn)生的電能通過(guò)導(dǎo)線在蓄電池中儲(chǔ)存起來(lái)。

當(dāng)需要采光時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要將拋物型雙面聚光板調(diào)至一定角度。一方面，太陽(yáng)光通過(guò)正反兩面光的反射照到室內(nèi)；另一方面，光伏組件將直接照在其上太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。熱電模塊仍然在冷熱兩端的熱電動(dòng)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下將光伏組件產(chǎn)生的廢熱轉(zhuǎn)換成電能轉(zhuǎn)換成電能。產(chǎn)生的電能通過(guò)導(dǎo)線儲(chǔ)存在蓄電池中。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 光伏仿真模型

假設(shè)光伏組件最大功率點(diǎn)不變。用了一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)化模型，效率ηMPP（G，TM）是輻射量G和模塊溫度TM的函數(shù)[2]。溫度對(duì)效率的影響是線性變化的，溫度系數(shù)為α：

原則上，4個(gè)參數(shù)可由光伏組件制造商提供的數(shù)據(jù)表確定，或從作為光照的函數(shù)測(cè)量效率得到。a1，a2，a3為模塊的具體參數(shù)。此研究中我們用從測(cè)量多晶硅模塊得到的數(shù)據(jù)：a1=0.1894，a2=-0.04163 m2/W，a3=0.02158，α=0.4%/K[3]。

為了利用這個(gè)模型，模塊溫度需要從周圍環(huán)境溫度和輻射量確定，用模塊溫度TM和環(huán)境溫度TA的溫差與光照G成正比的假設(shè)。

系數(shù)取決于安裝條件。

2.2 熱電仿真模型

熱電模塊的效率可表示如下[4]：

卡諾效率定義為：

熱電模塊的平均溫度Tavg為：

這里用了方程（3）效率ηTE取決于Z和操作溫度TM和TA，因此也依賴于輻射量。

2.3 光伏-熱電混合效率及發(fā)電量計(jì)算

入射太陽(yáng)輻射由效率為ηPV的光伏組件轉(zhuǎn)換，其余的熱量假設(shè)由熱電轉(zhuǎn)換模塊利用，轉(zhuǎn)換效率為ηTE。因此，沒(méi)有考慮通過(guò)模塊邊緣和前面的輻射損失?？偘l(fā)電量可以表示為[5]

混合系統(tǒng)的效率為

增加熱電轉(zhuǎn)換模塊后，效率增加如圖6所示。

圖6 增加TE模塊和不加時(shí)的效率分布圖Fig.6 The efficiency comparison of module with TE and that without TE

由上述分析可知，光伏組件的輸出特性受外界環(huán)境影響大，溫度和光照輻射強(qiáng)度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化。因此，充分利用光伏電池所產(chǎn)生的能量是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求。要解決這一問(wèn)題，可在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，以便更有效地利用太陽(yáng)能[6]。

3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及先進(jìn)性分析

3.1 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）采用熱電模塊來(lái)冷卻光伏組件，節(jié)省了常規(guī)冷卻（傳統(tǒng)的空冷或水冷）需要額外電力輸入的能量的同時(shí)又產(chǎn)生了額外的電量，進(jìn)而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率；2）光伏組件表面貼有一層氮化硅膜，降低光的反射，提高了光的利用率；3）采用高效拋物型雙面聚光板，反射板將太陽(yáng)輻射聚焦到光伏電池，減少了光伏電池的面積，結(jié)構(gòu)緊湊，從而降低了太陽(yáng)能發(fā)電的成本。在采光時(shí)，光通過(guò)拋物型聚光板的反射照進(jìn)室內(nèi)，改善了室內(nèi)的光環(huán)境；4）把光伏-熱電模塊與百葉窗有效的結(jié)合起來(lái)，既兼顧了室內(nèi)采光、通風(fēng)的功能又節(jié)約了空間、使其在有無(wú)采光時(shí)都實(shí)現(xiàn)了光伏-熱電聯(lián)合發(fā)電，產(chǎn)生的電能節(jié)約了能源，而且大大提高了其民用的可行性；5）本系統(tǒng)利用太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電，不消耗不可再生能源；運(yùn)轉(zhuǎn)安靜，可靠穩(wěn)定壽命長(zhǎng)，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便；對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種綠色的發(fā)電技術(shù)；6）安裝于室內(nèi)，既不影響建筑外部美觀，又節(jié)約空間，開(kāi)啟模式與關(guān)閉模式可靈活切換，滿足適時(shí)需求，開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)都可進(jìn)行發(fā)電。

3.2 系統(tǒng)的先進(jìn)性及可行性

3.2.1 系統(tǒng)的先進(jìn)性

目前傳統(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電裝置通常需要專門的空間布置，占用空間資源，對(duì)于人口密集的城市不易推廣。與目前通常使用的光伏組件相比，拋物聚焦型光伏—熱電混合發(fā)電百葉，由于增加了熱電轉(zhuǎn)換模塊，將光伏組件產(chǎn)生的廢熱又轉(zhuǎn)換成了電能，既提高了系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)換效率又使能源利用最大化，減少了常規(guī)冷卻需要電力輸入的功耗，大大節(jié)省了能耗；同時(shí)，采用了拋物型雙面聚光板，與平板型太陽(yáng)能電池板相比，提高了太陽(yáng)輻射利用率，減少了電池板面積，進(jìn)而減少了電池板的初投資；巧妙利用玻璃幕墻的有效面積，能在采光和太陽(yáng)能利用兩者之間進(jìn)行靈活轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)小型化，安裝簡(jiǎn)便。

3.2.2 系統(tǒng)的可行性

本裝置將太陽(yáng)能作為發(fā)電的動(dòng)力，減小了不可再生能源的供應(yīng)壓力，而且緩解了用電高峰期電力供電的壓力。裝置將熱電轉(zhuǎn)換模塊與光伏組件相結(jié)合，將光伏組件產(chǎn)生的廢熱經(jīng)熱電轉(zhuǎn)換模塊再發(fā)成電，將光伏組件冷卻的同時(shí)產(chǎn)生額外的電能，可使系統(tǒng)效率增加20%以上。將高效拋物型雙面發(fā)射板用于該系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率的同時(shí)也減少了太陽(yáng)能發(fā)電的成本。在高樓林立的城市中，使用建筑外表面采光，布置太陽(yáng)能綜合利用裝置無(wú)疑是最理想的方案。隨著地球資源的日益匱乏和基礎(chǔ)能源成本的不斷攀升，作為無(wú)污染且取之不盡的綠色能源，太陽(yáng)能將會(huì)日益受到重視[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種不同于傳統(tǒng)冷卻光伏組件的方法，即在光伏組件背面連接熱電轉(zhuǎn)換模塊，可以利用與周圍環(huán)境的溫差的熱電效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生額外的電力，從而達(dá)到一個(gè)光伏-熱電混合動(dòng)力系統(tǒng)較大的整體效率[8-10]。同時(shí)，該發(fā)電系統(tǒng)與建筑節(jié)能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電-建筑一體化。該裝置無(wú)論是在家庭還是公司，國(guó)家機(jī)關(guān)還是私人企業(yè)，城市還是農(nóng)村都可以得到使用。裝置所產(chǎn)生的電能可以自給也可以將多余的電能賣給電力部門并入電網(wǎng)。太陽(yáng)能的利用有利于緩解了能源危機(jī)帶給我們的影響，保護(hù)環(huán)境[11-13]。該系統(tǒng)目前還沒(méi)有大面積推廣的一個(gè)主要原因是成本問(wèn)題，因?yàn)楹线m的冷卻系統(tǒng)要求不僅能夠降低電池的表面溫度，還要安裝方便，使用起來(lái)穩(wěn)定可靠，同時(shí)還要兼顧成本等方面的因素[14]，所以當(dāng)務(wù)之急是開(kāi)發(fā)出性能更好的熱電轉(zhuǎn)換材料。

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