聚光太陽電池聯(lián)合溫差發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

謝澤揚(yáng)，黃　金，李定昌，王　海

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

聚光太陽電池聯(lián)合溫差發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

謝澤揚(yáng)，黃金，李定昌，王海

(廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要:設(shè)計(jì)并搭建一套小型聚光太陽電池聯(lián)合背板溫差發(fā)電系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了該系統(tǒng)輸出功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并在室外對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明：隨著輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，太陽電池短路電流ISC呈近似線性升高，高輻射強(qiáng)度下的增長(zhǎng)率比低輻射強(qiáng)度時(shí)小；太陽電池的開路電壓UOC高于空冷對(duì)照組相對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，日平均高0.16 V，溫差發(fā)電芯片的最大輸出功率出現(xiàn)在輻射強(qiáng)度曲線的下行段，為0.52 W，一天的輸出電量為2.9 W·h.

關(guān)鍵詞:太陽能復(fù)合系統(tǒng)； 光伏發(fā)電； 溫差發(fā)電； 菲涅爾聚光

開發(fā)清潔能源以降低對(duì)化石燃料的依賴是解決能源短缺，減少污染物排放問題的有效途徑之一.太陽能作為主要的清潔能源備受矚目[1-3].然而，與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，光伏發(fā)電的成本仍舊高昂[4-5].采用聚光的方式可以提高太陽電池表面的能流密度，減少昂貴的太陽電池的使用量，降低發(fā)電的成本[6].針對(duì)聚光光伏組件溫度過高，影響太陽電池發(fā)電效率及使用壽命等缺陷，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開展了太陽能光電光熱綜合利用的相關(guān)研究工作.

Chavez-UrbiolaEA等[7]對(duì)光伏與溫差發(fā)電相結(jié)合的系統(tǒng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫差發(fā)電芯片兩端溫差的增大，太陽電池的發(fā)電效率下降而溫差發(fā)電芯片的發(fā)電效率升高，兩者相反的變化趨勢(shì)使聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在溫度改變時(shí)能維持較穩(wěn)定的輸出.華僑大學(xué)的廖天軍等[8]建立了低倍聚光太陽光電池聯(lián)合背板溫差(CPV/TE)復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的理論模型.模型的影響因素包括太陽電池與溫差發(fā)電芯片之間的熱導(dǎo)率、太陽電池的電流、太陽輻射強(qiáng)度、聚光倍數(shù)和溫差發(fā)電芯片的優(yōu)值.北京航空航天大學(xué)的鄧元等[9]設(shè)計(jì)了一套高效集熱的PV/TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，使得溫差發(fā)電芯片兩端有更大的溫差，并用有限元分析方法對(duì)溫差發(fā)電芯片的熱流情況進(jìn)行數(shù)值仿真.中國(guó)科學(xué)院電工研究所的王志峰等[10]采用數(shù)值方法分析了具有波長(zhǎng)分離器的CPV/TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與傳熱過程，研究發(fā)現(xiàn)最佳的截止波長(zhǎng)取決于太陽電池的帶隙寬度；冷卻系統(tǒng)對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)的性能起到根本性的影響，但沒必要過度追求高傳熱系數(shù)；溫差發(fā)電的輸出功率占總輸出功率的10%.目前的研究多為數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬光源的實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際情況之間存在一定的偏差.本文推導(dǎo)了聚光光伏與溫差發(fā)電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并基于聚光太陽電池聯(lián)合溫差發(fā)電系統(tǒng)，在戶外對(duì)三結(jié)砷化鎵電池及溫差發(fā)電芯片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.

1實(shí)驗(yàn)與計(jì)算

1.1聚光太陽電池聯(lián)合溫差發(fā)電系統(tǒng)

圖1為自行搭建的聚光太陽電池聯(lián)合溫差發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)物圖.系統(tǒng)包括太陽跟蹤器、菲涅爾透鏡、二次聚光器、三結(jié)砷化鎵電池、溫差發(fā)電芯片、水冷式散熱器、水箱、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架.

本文采用PMMA材質(zhì)的菲涅爾透鏡，它具有優(yōu)越的機(jī)械性能，能長(zhǎng)期在戶外使用而不易老化[11]；使用具有較高效率的InGaP/GaAs/Ge疊層砷化鎵電池作為光電轉(zhuǎn)換的主要部件，電池的尺寸為10mm×10mm,電池緊貼在尺寸為40mm×40mm×3.5mm的底板上.電池模塊上設(shè)置正、負(fù)電極，用于傳導(dǎo)光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能.正、負(fù)級(jí)之間并聯(lián)一個(gè)旁路二極管，它能將工作異常，成為負(fù)載的太陽電池從電池組中短路出去，避免電池因溫度過高而損毀.實(shí)驗(yàn)所用的三結(jié)砷化鎵電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下參數(shù)如表1所示.

圖1　聚光太陽電池聯(lián)合背板溫差發(fā)電系統(tǒng)

Fig.1Concentrationphotovoltaic-thermoelectric(CPV/TE)hybridsystem

表1　三結(jié)砷化鎵電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的參數(shù)

如圖2所示，電池正上方有一塊倒棱錐形的二次聚光器，其作用是使聚焦光斑均勻化，并有利于跟蹤系統(tǒng)的誤差容忍度，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率[12].電池的底板下方用導(dǎo)熱硅脂粘接Bi2Te3材料半導(dǎo)體溫差發(fā)電芯片的熱端,并采用水冷式換熱器及時(shí)把熱量從溫差發(fā)電芯片冷端帶走.實(shí)驗(yàn)所用的溫差發(fā)電芯片的型號(hào)為TEG-127020-40×44，性能規(guī)格如表2所示.表1、表2中的參數(shù)可做前期預(yù)測(cè)，實(shí)際情況將以實(shí)驗(yàn)測(cè)試為準(zhǔn).

圖2　帶全反射式二次聚光器的砷化鎵電池

Fig.2GaAssolarcellwithtotalreflection-typesecondaryopticscondenser

1.2實(shí)驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位于廣州大學(xué)城，北緯23.136、東經(jīng)113.295處，測(cè)試時(shí)間為2014年12月，采集數(shù)據(jù)從早上9:00開始到下午16：00結(jié)束，各組數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為10min.采用FLA5032多路溫度測(cè)試儀記錄光伏電池背板溫度、換熱器進(jìn)出口水溫及環(huán)境溫度；太陽電池的開路電壓UOC、短路電流ISC、溫差發(fā)電芯片的開路電壓、負(fù)載電壓、負(fù)載電流由VLCTOR生產(chǎn)的數(shù)字多用表進(jìn)行測(cè)量；太陽總輻射強(qiáng)度(Irradiance)由TRM-2型太陽能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行記錄.實(shí)驗(yàn)設(shè)置被動(dòng)式空氣冷卻(簡(jiǎn)稱空冷)散熱的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)作為對(duì)照組.

1.3CPV/TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的分析

為進(jìn)一步理解聚光太陽電池-溫差發(fā)電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，圖3給出了復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖，透過菲涅爾透鏡聚焦投射到太陽電池的光能一部分通過太陽電池轉(zhuǎn)換成電能，其余的轉(zhuǎn)換成太陽電池的產(chǎn)熱.溫差發(fā)電芯片以太陽電池的廢熱與散熱器之間的溫度差作為能量驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電力輸出.

表2　溫差發(fā)電芯片的性能規(guī)格

圖3CPV/TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖

Fig.3ThesimpleschematicofCPV-TEhybridsystem

太陽電池的產(chǎn)熱量

Q=CζI(1-R)(1-η)A，

(1)

式中Q為太陽電池的產(chǎn)熱量(W)；C為聚光倍數(shù)；ζ為聚光效率；I為太陽輻射強(qiáng)度(W·m-2)；R為太陽電池反射率；η為太陽電池效率；A為太陽電池面積(m2).

覆蓋在太陽電池上的二次聚光器的熱導(dǎo)率相對(duì)于電池后面的底板的導(dǎo)熱率小得多，可以忽略二次聚光器對(duì)傳熱的影響.太陽電池只有幾十微米的厚度，其體積相對(duì)于底板可以忽略.假設(shè)太陽電池的產(chǎn)熱均勻地?cái)U(kuò)散到電池后面的底板上，底板與溫差發(fā)電芯片熱端之間溫度梯度為零.太陽電池所產(chǎn)生的熱量一部分以熱對(duì)流、熱輻射的方式傳遞到空氣中，剩下的大部分熱量由溫差發(fā)電芯片以熱傳導(dǎo)的方式傳到散熱器，溫差發(fā)電芯片基于半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)在輸出端產(chǎn)生電壓差[13].

(2)

其中，h為底板與空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)(W·m-2·k-1)；T1為底板的溫度(K)；T0為環(huán)境溫度(K)；σ為黑體輻射系數(shù)，σ=5.67×10-8(W·m-2·K-4)；k為底板表面的黑度；A*為底板的上表面面積及底板因自身厚度而產(chǎn)生的面積之和(m2)；T2為溫差發(fā)電芯片冷端溫度(K)；RTEG為溫差發(fā)電芯片冷熱端之間的熱阻(K·W-1).

溫差發(fā)電芯片的發(fā)電量PTEG可由式(3)表示：

PTEG=ηTEG(T1-T2)/RTEG.

(3)

溫差發(fā)電片的發(fā)電效率由式(4)[7]得出

(4)

其中，Z為溫差電單體對(duì)的優(yōu)值，TM為冷、熱端的平均溫度，它們的乘積ZTM稱為無量綱優(yōu)值.

CPV/TE復(fù)合系統(tǒng)總的發(fā)電功率為太陽電池的發(fā)電功率與溫差發(fā)電芯片的發(fā)電功率之和.

PCPV=ηCPVCζI(1-R)A+ηTEG(T1-T2)/RTEG.

(5)

其中，PCPV為太陽電池的發(fā)電功率(W),ηCPV為太陽電池的發(fā)電效率.

2結(jié)果與分析

如圖4所示，太陽總輻射強(qiáng)度在500W/m2以下時(shí)，太陽電池短路電流ISC隨輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而呈近似線性增加.太陽總輻射強(qiáng)度在500W/m2以上時(shí)，電池短路電流ISC的增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩.這是由于較大輻射強(qiáng)度導(dǎo)致太陽電池內(nèi)部可進(jìn)行復(fù)合的電子-空穴對(duì)增多、電池溫度升高，從而加大電池內(nèi)部電子-空穴對(duì)的復(fù)合概率.此時(shí)電池暗電流增大，對(duì)外輸出的電流減弱.

圖4　太陽電池短路電流隨輻射強(qiáng)度的變化

Fig.4Theshort-circuitcurrentofsolarcellsvaryingwiththesolarirradiation

圖5　太陽電池開路電壓和太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

Fig.5Theopen-circuitvoltageofsolarcellsandsolarirradiationvs.time

CPV/TE復(fù)合系統(tǒng)太陽電池的開路電壓UOC始終高于空冷對(duì)照組相對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，平均高0.16V，這說明CPV/TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)光伏發(fā)電部分的冷卻效果優(yōu)于空冷對(duì)照組.因?yàn)樵谙嗤木酃鈼l件下，入射到太陽電池的光通量相同，太陽電池溫度越低，其禁帶寬度就越寬.這意味著被太陽電池吸收的光子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)能維持在較高能量的水平，從而增大太陽電池的開路電壓.

圖6和圖7為CPV/TE復(fù)合系統(tǒng)溫差發(fā)電部分最大輸出功率隨太陽輻射強(qiáng)度的變化情況.從圖6可以看出，溫差發(fā)電芯片的最大輸出功率隨輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而呈近似線性增大.這是因?yàn)闇夭畎l(fā)電芯片的最大輸出功率主要受芯片冷、熱端的平均溫差影響；冷端換熱器能快速把熱量帶走，上下午換熱器出水口溫差保持在1.5℃以內(nèi)；熱端的傳熱方式主要是熱傳導(dǎo)，熱流量與溫度梯度成正比，太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)導(dǎo)致熱端平均溫度升高.如圖7所示，最大輸出功率并沒有與輻射強(qiáng)度的峰值相對(duì)應(yīng)，而是出現(xiàn)在輻射強(qiáng)度曲線的下行段，大小為0.52W.這主要是因?yàn)?，太陽電池背后的底板本身具有一定的蓄、放熱作用，其材料的熱容、質(zhì)量及熱擴(kuò)散率的大小導(dǎo)致了溫差發(fā)電芯片輸出功率曲線滯后于輻射強(qiáng)度曲線.從早上9：00到下午16:00共7h，CPV/TE復(fù)合系統(tǒng)溫差發(fā)電部分最大輸出功率對(duì)時(shí)間的積分值約為2.9W·h.

圖6　溫差發(fā)電芯片輸出功率隨太陽輻射強(qiáng)度的變化

Fig.6Thepowergeneratedbythethermoelectricgeneratorvaryingwiththesolarirradiation

圖7　溫差發(fā)電芯片輸出功率和太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

Fig.7Powergeneratedbythethermoelectricgeneratorandsolarirradiationvs.time

3結(jié)論

在聚光太陽電池聯(lián)合背板溫差發(fā)電系統(tǒng)中太陽電池的輸出電壓能保持穩(wěn)定；隨著輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，太陽電池短路電流近似線性增加，高輻射強(qiáng)度下的增長(zhǎng)率比低輻射強(qiáng)度時(shí)??；溫差發(fā)電芯片的輸出功率隨輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而呈近似線性增大；溫差發(fā)電在復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中所占的發(fā)電比重較小，應(yīng)優(yōu)先考慮優(yōu)化太陽電池的散熱效果，提高太陽電池的發(fā)電效率.

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Experimental Study of Concentrator Solar Cells Integrated with Thermoelectric Generators

Xie Ze-yang， Huang Jin， Li Ding-chang， Wang Hai

(SchoolofMaterialsandEnergy,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)

Abstract:In this article, a small-scale concentration photovoltaic-thermoelectric (CPV/TE) hybrid system is designed and built, which is proved by experiment. Then, the system’s compositions are introduced, and the mathematical expression of its output power is derived. According to experiment result, the short-circuit current of solar cells has almost linear dependence on the solar irradiation with a higher growth rate at low irradiation. Compared with a CPV-only system working under air cooling condition, the CPV-TE hybrid system has a higher open-circuit voltage. The daily average increment of it is 0.16V which means an average enhancement of 5.67%. The maximum output power of the thermoelectric generator, which is 0.52W, appears in the descending part of the solar irradiation curve and the total generating capacity of the thermoelectric generator is 2.9 W·h.

Key words:solar hybrid system; photovoltaic; thermoelectric generator； Fresnel concentrator

收稿日期:2015-04-15

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476038);廣州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013J4100010)；廣東省學(xué)位與研究生教育改革研究項(xiàng)目(2013JGXM-MS20)

作者簡(jiǎn)介:謝澤揚(yáng)(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘柲芄夥l(fā)電.

doi:10.3969/j.issn.1007-7162.2016.02.013

中圖分類號(hào):TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-7162(2016)02-0066-05