太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電系統效率分析

郭瑞芳（銀川能源學院 電力學院，銀川 750105）

太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電系統效率分析

郭瑞芳
（銀川能源學院 電力學院，銀川 750105）

太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電是為了節(jié)約化石類能源、改善人類生存環(huán)境而提出的一種利用太陽能的發(fā)電形式。聯合發(fā)電綠色環(huán)保，可以更大程度的利用太陽能，發(fā)電同時可保護光伏電池因溫度過高而燒壞，因此聯合發(fā)電系統的效率及其使用價值備受人們關注［1］，本文主要從能量角度對聯合發(fā)電效率進行分析，找出影響聯合發(fā)電效率的因素，并分析了目前人們所采取的提高效率的措施。

光伏—溫差聯合發(fā)電；效率；措施

1　太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電系統效率分析

太陽能光伏—溫差發(fā)電與傳統發(fā)電相比優(yōu)點諸多，唯獨發(fā)電效率不理想，如何提高其效率受到了人們長期關注，下面從能量角度出發(fā)，計算分析影響光伏—溫差發(fā)電效率的因素，為提高其發(fā)電效率提供理論依據。

1.1光伏—溫差聯合發(fā)電能量傳遞及轉換的數量關系

光伏—溫差聯合發(fā)電過程是低品位能量向高品位能量轉化的過程，其傳遞及轉換過程示意圖，如圖1所示：

圖1　

1.2聚光太陽能光伏電池效率

依據上圖能量關系，根據能量守恒定律可得：

其中，Q 為經聚光裝置聚光后輸入光伏電池的能量；PPV為光伏電池輸出的電功率；QPV為光伏電池工作時的能量損失；QH為光伏電池傳到溫差裝置熱端的熱量。其中，C為聚光比；G為太陽輻射量；AC為電池板面積；βc為光伏電池的填充因子；、為光伏電池、tedlar膜的吸收率。

光伏電池在工作過程中主要以輻射和對流的方式與周圍環(huán)境進行熱量交換的，故其熱量損失可表示為：

其中，ε為光伏電池表面發(fā)射率；δ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數；Tp為光伏電池表面溫度；Ta為所處環(huán)境溫度；h為對流換熱系數。

忽略傳熱損失，光伏電池以導熱的方式傳遞給溫差發(fā)電片熱端的熱量為：

其中，λ為導熱系數；AH為溫差發(fā)電片的面積；δ為厚度；Th為溫差發(fā)電片熱端溫度。

光伏電池的輸出功率為：

其中，ηe為參考溫度為298K時的光電轉換效率；φc為太陽能電池的溫度系數。

光伏電池的發(fā)電效率為：

通過實驗進行測量，將已知數據和測量數據代入式（1-5）、（1-6）得出表面溫度Tc對效率ηPV的影響，結果見圖2。

圖2

由上圖得出，對同一材料的光伏電池，電池板表面溫度Tc對發(fā)電效率的影響是較大的，表面溫度越高，發(fā)電效率越低。當聯合了溫差發(fā)電后，可以有效降低光伏電池板的表面溫度，提高效率。

1.3溫差發(fā)電裝置效率

依據圖1關系，由溫差發(fā)電模塊熱端吸收的熱量QH和冷端放出的熱量QL分別表示為［4］：

其中，α為賽貝克系數；ITE為模塊所需工作電流；k溫差發(fā)電模塊熱傳導系數；Ri為內阻；Tl為溫差發(fā)電模塊冷端溫度。

溫差發(fā)電模塊的輸出功率為：

溫差發(fā)電模塊的工作效率為：

從上式可得出影響溫差發(fā)電效率的因素有優(yōu)值系數Z，溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差（Th-Tl）及負載等，當負載為定值時，效率與溫差關系如圖3所示。

從圖3可看出，隨著溫差的增大，效率呈直線趨勢增加，故提高效率可從溫差入手。

圖3　

溫差一定，優(yōu)值系數Z 與負載對效率的影響如圖4 所示

其它條件一定是，優(yōu)值系數Z 越大，溫差發(fā)電模塊效率越高；負載對溫差發(fā)電模塊效率的影響隨優(yōu)值系數的不同，結果也不同，但每一優(yōu)值系數存在最佳負載，使模塊工作效率達到最大。

圖4　

1.4太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電裝置輸出功率及效率

將以上公式聯立求解，既得聯合發(fā)電裝置的輸出功率及發(fā)電效率。從式（1-14）可得出，投入能量一定時，光伏發(fā)電和溫差發(fā)電任一部分的功率大小都會影響聯合發(fā)電的效率［5］?；谝陨嫌嬎?，關于聯合發(fā)電效率的提高作一點分析說明。

2　太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電發(fā)展前景及提高效率的幾點分析

太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電與傳統發(fā)電相比，具有許多優(yōu)點，如提高了太陽能發(fā)電的效率和壽命，方式靈活，可將低品位能量轉化為高品位能量，對能源利用率高，生產過程中無化學反應，對環(huán)境污染小，且整體裝置結構簡單、體積小，移動、運輸方便，裝置無運動部件，無噪音，維護運行方便等。隨著人們對環(huán)境保護意識的逐漸增強，這種發(fā)電終將代替一些效率低、污染嚴重的傳統發(fā)電［6］，在能源領域發(fā)揮重大作用。

然而，從當前來看，太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電主要停留在理論及實驗階段［7］，最主要原因就是該發(fā)電方式的效率問題。太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電效率比較低，一般在20%左右［8］，因此提高太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電效率十分有必要。

由前面的計算部分可以得出，影響太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電效率的因素既有光伏發(fā)電的，也有溫差發(fā)電的，但對于光伏發(fā)電來說，隨著技術水平的提高，沿著原有技術方向繼續(xù)提高常規(guī)太陽電池效率需要花費更大精力和財力［9］，世界太陽電池最高效率從22%提高到23.3%，從23.3%提高到25%，各花了10年時間，太陽電池效率每提高一點都是很困難的。因此，從目前來看，要提高太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電效率，從溫差發(fā)電部分提高的空間相對大一些。

忽略掉光伏發(fā)電部分的影響因素，從溫差發(fā)電角度考慮，從圖3和圖4可以得出優(yōu)值系數Z ，溫差發(fā)電模塊冷熱端溫差（Th-Tl）對效率的影響。故提高聯合發(fā)電效率的措施有：

（1）提高溫差發(fā)電模塊材料的優(yōu)值ZT。優(yōu)值是衡量熱電轉化效率的組要參數，人們在積極尋找優(yōu)值系數較高的材料來提高發(fā)電效率，Bi2Te3的ZT值大約為1，目前主要研究的熱電材料有：納米熱電材料、超晶格薄膜熱電材料等。

（2）增大溫差發(fā)電模塊的冷熱端溫差。采用良好的冷卻方式，降低低溫端溫度。如采用納米流體冷卻等。

3　結論

通過對太陽能光伏電池、溫差發(fā)電模塊及太陽能光伏—溫差聯合發(fā)電進行計算分析，找出了影響發(fā)電效率的因素。對聯合發(fā)電效率進行分析，收集了目前人們提高發(fā)電效率采取的主要措施。

［1］鄧華.太陽能光伏-溫差混合系統發(fā)電的研究［D］.江西：南昌大學，2015.

［2］吳雙應，吳瑩瑩，肖蘭.環(huán)境風下光伏—溫差發(fā)電系統耦合特性分析［J］.工程熱物理學報，2015，36（7）：1528—1532.

［3］Rowe D M.CRC Handbook of Thermoelectrics［M］.London，NY，USA:CRC Press，1995.

［4］郭常青，閆常峰，李文博等.太陽能光伏/溫差復合發(fā)電系統效率分析［J］.電源技術，2012，36（10）:1474—1477.

［5］賴相霖，肖文博，黃蘇華等.聚光光伏與溫差聯合發(fā)電裝置的研究［J］.物理實驗，2012，32（05）:0017—0020.

［6］王立舒，梁秋艷，李琳等.聚光太陽能溫差發(fā)電裝置性能分析與試驗［J］.農業(yè)工程學報，2015，31（24）:64—71.

［7］李漾，鄭少華，李偉光.太陽能溫差發(fā)電技術的研究現狀［J］.研究與開發(fā)，2015，44（02）:74-78.

［8］楊晶晶，劉永生，房文健等.具有負反饋特征的光伏—溫差聯合發(fā)電模型與效率分析［J］.上海交通大學學報，2013，47（04）:0550—0555.

［9］王立舒，李琳，梁秋艷等.溫室聚光光伏/溫差聯合發(fā)電系統的設計與性能試驗［J］.農業(yè)工程學報，2015，31（14）:8—15.

［10］劉永生，谷民安，楊晶晶等.太陽能光伏—溫差發(fā)電驅動的新型冰箱模型設計與熱力學分析［J］.物理學報，2010，59（10）:7368—7373.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.043

銀川能源學院校級科研項目（項目編號：2014—KY—Z—02）

郭瑞芳（1984-），內蒙古呼和浩特人，本科，助教，能源動力類相關教學科研。