全光發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

■ 王世杰 嚴(yán)李強* 程君杰 董學(xué)卓

(1.西藏大學(xué)電子信息系; 2.西藏大學(xué)數(shù)學(xué)系）

0 引言

近幾年，人們在不斷對光伏發(fā)電材料進行研究后發(fā)現(xiàn)，常用的硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率已接近理論極值，趨于飽和，對于材料的選擇已慢慢進入瓶頸期[1]，于是研究人員轉(zhuǎn)為對光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究。如今的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計僅停留在增加太陽光在光伏板上的利用率，即增加單位面積的太陽光輻射量，從而達到提高發(fā)電效率的目的。如采用太陽能聚光光伏發(fā)電技術(shù)、高倍聚光光伏光熱綜合利用技術(shù)或四棱錐式的結(jié)構(gòu)設(shè)計等[2]。在現(xiàn)有的光伏發(fā)電過程中，除轉(zhuǎn)換為電能的能量外，其余部分以熱能形式積聚在太陽電池中，不僅未形成有效發(fā)電，還會造成電池的溫度升高，致使電池效率和使用壽命下降[2-3]。

太陽光中可見光波段(400～760 nm)約占43%，紅外波段(＞760 nm)約占48.3%，紫外波段(290～400 nm)約占8.7%；通過對太陽電池的研究發(fā)現(xiàn)，光伏發(fā)電主要是利用較高頻波段的光線，而較低頻波段的光線可被用于溫差發(fā)電。本文提出了一種全波段發(fā)電即全光發(fā)電的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以單晶硅太陽電池為例，實現(xiàn)了其對0.4～1.1μm波段太陽光的吸收[4]；再利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電片對紅外波段的太陽光進行吸收，實現(xiàn)了對太陽輻射總能量90%以上的接收利用。

1 基本概念

1.1 光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的特性，直接將太陽光轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方式。太陽電池表面有一層金屬薄膜似的半導(dǎo)體薄片[5]，當(dāng)太陽光照射半導(dǎo)體材料時，半導(dǎo)體材料在吸收太陽光后，其兩端將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象被稱為光生伏特效應(yīng)。

對于硅半導(dǎo)體而言，當(dāng)p型和n型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料結(jié)合時，n型區(qū)的電子擴散到p型區(qū)，p型區(qū)的空穴擴散到n型區(qū)，形成勢壘區(qū)，此時n型帶正電，p型帶負電，但整體不帶電，在硅半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生較強的內(nèi)建靜電場，形成p-n結(jié)[6]，如圖1a～圖1c所示。

當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體p-n結(jié)上時，太陽光被材料吸收后，會在勢壘區(qū)中形成新的空穴-電子對。由于p-n結(jié)勢壘區(qū)存在較強的內(nèi)建靜電場，則產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的空穴-電子對或產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴散至勢壘區(qū)的空穴-電子對，在內(nèi)建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，如圖1d所示。電子離開勢壘區(qū)，結(jié)果使p區(qū)電勢升高，n區(qū)電勢降低，p-n結(jié)兩端形成光生電動勢，如圖1e所示，這就是p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)[7]。假設(shè)將p-n結(jié)與負載相連接，只要有光照，就會不間斷地有電勢差在電路兩端，p-n結(jié)從中起到電源的作用，這就是光伏發(fā)電的基本原理[7-10]。

圖1 光伏發(fā)電原理

1.2 溫差發(fā)電的原理

當(dāng)不同的半導(dǎo)體材料兩端存在一個溫度差時，在其導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生電動勢且形成電流，這一現(xiàn)象是由德國物理學(xué)家塞貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)的，被稱為塞貝克效應(yīng)[11]。這是溫差發(fā)電的理論基礎(chǔ)。

將1個p型電偶和1個n型電偶在熱端用金屬導(dǎo)流片相連接，形成如同p-n結(jié)的連接物；在冷端用導(dǎo)線連接，這就構(gòu)成1個溫差電偶。在太陽光熱效應(yīng)下，p型半導(dǎo)體材料高溫受光面空穴的熱運動高于低溫背光面，則空穴從高溫端向低溫端擴散，形成電勢差；同樣情況下，n型半導(dǎo)體材料高溫受光面電子的熱運動高于低溫背光面，則電子從高溫端向低溫端擴散，形成電勢差；在構(gòu)成的回路中，當(dāng)復(fù)合半導(dǎo)體材料的兩端存在溫差時，便形成電勢差，將太陽光熱輻射直接轉(zhuǎn)換為電能。

圖2 溫差發(fā)電原理圖

1.3 光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電的原理

目前已有的光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電形式主要有分頻型光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電與聯(lián)合型光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電兩種類型。

分頻型光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電是指分頻利用太陽能光伏-溫差復(fù)合發(fā)電的技術(shù)，其原理圖如圖3a所示。將聚焦后的太陽光經(jīng)波長分離器分離，其中波長較短的光線照射到太陽電池上，其余太陽光則轉(zhuǎn)化為熱量，經(jīng)半導(dǎo)體溫差發(fā)電片發(fā)電，從而實現(xiàn)了太陽能全光譜高效利用。分頻型光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最佳分光波長應(yīng)取在太陽電池的截止波長處[3]。

聯(lián)合型光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電是指聯(lián)合利用太陽能光伏-溫差復(fù)合發(fā)電的技術(shù)，其原理圖如圖3b所示。用聚光系統(tǒng)將太陽光匯聚到太陽電池上[12]，進行光伏發(fā)電；利用太陽光照射下的升溫效應(yīng)，與半導(dǎo)體溫差發(fā)電片結(jié)合進行溫差發(fā)電[13]。采用溫差發(fā)電技術(shù)可有效利用未被太陽電池吸收的光線所產(chǎn)生的熱量用于發(fā)電，從而提高系統(tǒng)的發(fā)電效率[3]。

圖3 光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電原理圖

2 全光發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于對光伏發(fā)電與溫差發(fā)電的調(diào)查研究，本文提出“全光發(fā)電”的概念，實現(xiàn)對太陽光90%以上利用的同時，降低了太陽電池表面因溫度升高而導(dǎo)致的光電轉(zhuǎn)換效率下降的問題。

全光發(fā)電結(jié)構(gòu)主要包括：光伏發(fā)電裝置、溫差發(fā)電裝置和雙翼鉸鏈等。波長分離器與太陽電池板構(gòu)成光伏發(fā)電裝置，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片與冷源構(gòu)成溫差發(fā)電裝置，兩個裝置通過雙翼鉸鏈相互鉸接，如圖4所示。全光發(fā)電結(jié)構(gòu)是利用波長分離器將太陽光中較高頻波段的光線透射到太陽電池板[14]，將較低頻波段的光線反射至半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，實現(xiàn)太陽光的全光發(fā)電。通過調(diào)整雙翼鉸鏈可控制全光發(fā)電結(jié)構(gòu)的開合度，進一步提升系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖4 全光發(fā)電結(jié)構(gòu)

2.1 光伏發(fā)電裝置

光伏發(fā)電裝置由波長分離器、鋼化玻璃、EVA、太陽電池片、背板、外殼組成。

1)波長分離器。波長分離器按鍍膜工藝不同可分為全介質(zhì)型和金屬加介質(zhì)型兩種。全介質(zhì)型采用Ta2O5、SiO2材料交叉真空鍍膜而成，分離不同波段太陽光的性能較好。金屬加介質(zhì)型也叫衰減片，其只考慮透射光比例，反射光不作為參考重點。因此，本文選用全介質(zhì)型波長分離器，既實現(xiàn)了對反射光的熱效應(yīng)利用，又實現(xiàn)了對透射光的光伏利用。

波長分離器按波長將太陽光分為兩部分：一部分是400～1100 nm之間的波段，稱為較高頻部分；另一部分是1100～5300 nm之間的波段，稱為較低頻部分(如圖5所示)。由于光伏利用的太陽光波段主要集中在波段400～1100 nm之間，其他波段的太陽光照射在太陽電池表面，其發(fā)電效率會有一個較高幅度的下降。通過波長分離器，將太陽光較高頻部分透射至太陽電池，用于光伏發(fā)電；較低頻部分反射至半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，用于溫差發(fā)電。

圖5 波長分離器的原理

2)鋼化玻璃。用于保護光伏發(fā)電裝置中的太陽電池片等主體結(jié)構(gòu)，透光率要求較高且進行超白鋼化處理。

3)EVA。用于電池片和鋼化玻璃及背板之間的粘結(jié)。

4)太陽電池片。作為光伏發(fā)電裝置的核心部件，通過光生伏特效應(yīng)吸收光能進行發(fā)電。

5)背板。一般用TPT、TPE等材質(zhì)，主要起到密封、絕緣、防水的作用。

6)外殼。主要由鋁合金組成，起到對核心組件保護的作用。

圖6 光伏發(fā)電裝置

2.2 溫差發(fā)電裝置

全光發(fā)電結(jié)構(gòu)中的溫差發(fā)電裝置在工作時，鋁層(熱源)通過波長分離器反射的低頻光吸收熱量，裝置的冷熱端需要保持一定的溫差，才可產(chǎn)生電流。溫差發(fā)電裝置為4層結(jié)構(gòu)，依次為鋁層、導(dǎo)熱硅膠、半導(dǎo)體溫差發(fā)電片、冷源，如圖7所示。

圖7 溫差發(fā)電裝置

1)鋁層(集熱部分)：是太陽光的直接照射面，太陽光在此部分實現(xiàn)集熱并將熱效應(yīng)均分至半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，使半導(dǎo)體溫差發(fā)電片熱端的表面溫度相對一致，提供穩(wěn)定的熱源。

2)導(dǎo)熱硅膠：使鋁層傳遞的熱能更加高效的流動至下一層。

3)半導(dǎo)體溫差發(fā)電片：利用塞貝克效應(yīng)實現(xiàn)溫差發(fā)電。

4)冷源：通過降低低溫背光面半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的溫度，使正反面出現(xiàn)較高的溫度差，提升光熱發(fā)電效率。冷源的設(shè)置歸納出以下3種方式：

①散熱片：散熱片是比熱容較小的金屬，吸收熱量快，同時散失熱量的速度也相對較快[15]。通過空氣對流與輻射換熱，在散熱片與溫差片的冷端涂抹一層導(dǎo)熱硅膠，使溫差片冷端發(fā)出的熱量更好的導(dǎo)在散熱片上，增加與空氣對流和輻射換熱的表面積，加快散熱。

②液體制冷：目前常用的有2種方式，一種是流動液體降溫，利用流動液體常溫下保持低溫的性質(zhì)，通過對流的方式，為溫差片的冷源降溫；另一種是蓄液體冷卻降溫，利用液體的物理性質(zhì)，溫度不易升高也不易降低的特性作為半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的冷源。

③熱管冷卻：利用熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，將易蒸發(fā)的液體進行蒸發(fā)制冷，這樣使熱管兩端溫度增大，熱量快速傳遞[16]。熱管一端為蒸發(fā)端，另一端為冷凝端，當(dāng)熱管蒸發(fā)端受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在壓力差下流向冷凝端，釋放出熱量，重新凝聚成液體，流回蒸發(fā)端，進行快速循環(huán)[17]。

2.3 雙翼鉸鏈

雙翼鉸鏈?zhǔn)怯梢粭l中心鋁板及多對固定裝置組成。其不僅可將光伏發(fā)電裝置與溫差發(fā)電裝置結(jié)合，更在控制開合角度、增加太陽光的接收量方面效果顯著。中心鋁板的寬度由全光發(fā)電結(jié)構(gòu)在攜帶時的閉合厚度決定，以避免在攜帶途中造成不必要的損壞。雙翼可控制兩種發(fā)電裝置的開合角度，增加太陽光輻射能量的接收能力。

3 應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析

3.1 應(yīng)用

本文根據(jù)西藏地區(qū)，尤其是拉薩地區(qū)的特點，設(shè)計了符合當(dāng)?shù)靥攸c的全光發(fā)電系統(tǒng)，形成了以全光發(fā)電結(jié)構(gòu)為核心，外加控制器、蓄電池(組)、逆變器、配電箱的新的能源供給系統(tǒng)，如圖8所示。

圖8 全光發(fā)電系統(tǒng)效果圖

1)控制器：對光伏發(fā)電裝置和溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的不穩(wěn)定電壓、電流進行控制，為蓄電池(組)提供穩(wěn)定的電流和電壓，保證蓄電池(組)可進行安全充電，降低不穩(wěn)定電流、電壓產(chǎn)生的瞬間脈沖對蓄電池造成壽命的損耗，保證平穩(wěn)的輸出功率。

2)蓄電池(組)：是全光發(fā)電系統(tǒng)的儲能部件，目的是將光伏發(fā)電裝置與溫差發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能儲存起來，當(dāng)陽光充足時或溫差較大時，蓄電池將部分產(chǎn)生的電能進行儲存或供給負載使用。

3)逆變器：將光伏發(fā)電裝置和溫差發(fā)電裝置所發(fā)的直流電逆變成交流電，為負載供電。

太陽光通過全光發(fā)電結(jié)構(gòu)進行發(fā)電，產(chǎn)生大量的電能，通過控制器對蓄電池進行充電；系統(tǒng)可直接為藏區(qū)居民供給直流電，或通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，輸送到配電箱，由配電箱進行供電；當(dāng)系統(tǒng)檢測到蓄電池飽和時，電能由控制器通過逆變器，然后經(jīng)配電箱輸送至國家電網(wǎng)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

本實驗采用的全光發(fā)電結(jié)構(gòu)模型由35 cm×25 cm的光伏發(fā)電裝置、35 cm×25 cm的溫差發(fā)電裝置和雙翼鉸鏈組成。夏至日6月21日，拉薩市的太陽高度角為83°26′，全光發(fā)電結(jié)構(gòu)的仰角為6°34 ′，光伏發(fā)電裝置與溫差發(fā)電裝置通過雙翼鉸鏈以90°的開合角度進行固定，以達到更好的發(fā)電效果。表1為拉薩市2017年6月21-30日的觀測數(shù)據(jù)。

對于全光發(fā)電結(jié)構(gòu)而言，因本裝置提升的發(fā)電效率主要以光伏發(fā)電為主，溫差發(fā)電為輔，所以對溫差發(fā)電裝置發(fā)電效率的改變進行了忽略，主要針對光伏發(fā)電裝置發(fā)電效率的提升進行數(shù)據(jù)分析。

光伏發(fā)電裝置提升效率的公式為：

式中，η為提升的效率，X為光伏發(fā)電裝置改進前的發(fā)電功率，Y為光伏發(fā)電裝置改進后的發(fā)電功率。

通過公式(1)對表1的數(shù)據(jù)進行分析后可知，通過增加波長分離器，僅光伏發(fā)電裝置的發(fā)電效率平均提升了16.94%。

表1 光伏發(fā)電裝置2017年6月下旬的發(fā)電功率情況

3.3 小結(jié)

通過理論及實驗數(shù)據(jù)分析可知，全光發(fā)電結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)光伏發(fā)電的同時，對光熱部分也進行了有效的發(fā)電利用，達到預(yù)期的全光發(fā)電效益；由于波長分離器將太陽輻射的熱效應(yīng)分離至溫差發(fā)電裝置，使光伏發(fā)電裝置受光熱效應(yīng)的影響降低，避免了太陽電池片因溫度升高而導(dǎo)致的光伏發(fā)電效率降低的問題，提高了光伏發(fā)電裝置的發(fā)電效率，進一步整體提升了全光發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)語

全光發(fā)電結(jié)構(gòu)可有效利用太陽光，實現(xiàn)全光發(fā)電。其工作原理簡單，即當(dāng)太陽光直接照射到波長分離器上時，較高頻部分的光直接透過波長分離器，照射到太陽電池板，光伏發(fā)電裝置直接進行發(fā)電；其余的光通過波長分離器反射到鋁層(熱源)，鋁層吸熱為下面的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片直接提供熱源，半導(dǎo)體溫差發(fā)電片下面為冷源，這樣溫差發(fā)電裝置兩端有足夠的溫差進行電子移動，開始發(fā)電。全光發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、方便，空間利用率高，占地面積小，發(fā)電效率高，適用于光照時長較長的地區(qū)。該裝置不僅提高了可再生能源的利用率，而且更為經(jīng)濟、環(huán)保。

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