光伏溫差界面熱耦合特性及混合發(fā)電效率

李欣然，王立舒，李　闖，董宇擎，李天舒

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

光伏溫差界面熱耦合特性及混合發(fā)電效率

李欣然，王立舒※，李闖，董宇擎，李天舒

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)闇夭铍姵夭季€及存在尺寸誤差等原因，部分光伏電池背板與外界進(jìn)行自然對(duì)流及自然輻射換熱，光伏溫差界面熱耦合特性較為復(fù)雜，對(duì)混合發(fā)電效率的影響規(guī)律有待探索。該研究通過(guò)有限元軟件模擬混合發(fā)電系統(tǒng)熱場(chǎng)分布，研究接觸熱阻與輻照度在4種溫差電池與光伏電池面積比情況下對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明：混合發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)光伏電池的降溫效果隨著溫差電池與光伏電池面積比增大而提高，標(biāo)況條件下面積比為0.25、0.50、0.75與1.00的系統(tǒng)分別降低光伏電池溫度11.02%、13.34%、13.80%與23.12%。增大溫差電池與光伏電池面積比可以提升混合系統(tǒng)發(fā)電效率，降低接觸熱阻能提升同一面積比系統(tǒng)發(fā)電效率，通過(guò)仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，面積比為1.00的混合發(fā)電系統(tǒng)采用高熱導(dǎo)率界面材料時(shí)具有最高的發(fā)電效率。該研究采用市場(chǎng)化電池研究混合發(fā)電系統(tǒng)溫度及混合發(fā)電效率影響規(guī)律，為光伏電池與溫差電池聯(lián)合使用提供參考依據(jù)。

光伏；輻照度；溫差；接觸熱阻；發(fā)電效率

0 引 言

中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速[1]，光伏發(fā)電量已經(jīng)是世界第一[2]。光伏發(fā)電已廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]，但目前光伏電池轉(zhuǎn)換效率提升已達(dá)到瓶頸，為提升太陽(yáng)能利用率及節(jié)省空間，光伏溫差混合發(fā)電技術(shù)成為了新的研究熱點(diǎn)[4]。光伏發(fā)電光照充足時(shí)帶來(lái)的熱量會(huì)阻礙光電效應(yīng)，降低光伏發(fā)電效率[5]，通常晶體硅電池溫度每提高1 ℃，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨之減少3%～5%[6]，過(guò)高的溫度還會(huì)縮短光伏電池工作壽命[7]。光伏溫差混合發(fā)電技術(shù)將影響光伏電池轉(zhuǎn)換效率與工作壽命的熱量作為溫差發(fā)電熱源，通過(guò)溫差電池將光伏電池余熱轉(zhuǎn)換為電能[8]。

Chavez-Urbiola等[9]發(fā)現(xiàn)溫差電池可以維持光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，彌補(bǔ)溫升導(dǎo)致光伏電池下降的效率。Zhang等[10]研究了強(qiáng)制風(fēng)冷散熱模型下的光伏溫差混合發(fā)電凈功率影響規(guī)律。王立舒等[11]研究了CPC聚光模式下水流量對(duì)光伏溫差混合發(fā)電效率的影響規(guī)律。Cui等[12]研究了光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)中加入相變材料的可行性。目前大多數(shù)學(xué)者都是研究冷卻方式，聚光方式，材料等因素對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)影響，混合發(fā)電界面溫度特性對(duì)效率的影響研究較少[13]。因?yàn)闇夭铍姵氐慕Y(jié)構(gòu)，采用多片溫差電池時(shí)導(dǎo)線需要進(jìn)行布線，光伏溫差混合發(fā)電實(shí)際應(yīng)用中光伏電池的面積通常大于溫差電池，未與溫差電池接觸部分光伏電池面積會(huì)與外界環(huán)境進(jìn)行換熱。混合發(fā)電過(guò)程中界面熱耦合狀態(tài)較為復(fù)雜，光伏電池的溫度分布不均勻，流入溫差電池的熱量也會(huì)因?yàn)榻佑|面積的不同而變化，因此探索溫差電池與光伏電池面積比對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)的影響，對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用具有一定的意義。

本文對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)整體建模，分析4種溫差電池與光伏電池面積比混合發(fā)電系統(tǒng)的界面熱耦合情況，研究接觸熱阻與輻照度對(duì)不同面積比混合發(fā)電系統(tǒng)溫度及混合發(fā)電效率的影響規(guī)律，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，為光伏溫差聯(lián)合發(fā)電實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)原理

1.1 光伏電池的能量轉(zhuǎn)換

光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)主要電能來(lái)源為光伏電池，光伏電池模型如圖1所示。

光伏電池與負(fù)載電阻L連接時(shí)，理想情況下光伏電池輸出電流PV為[14]：

式中ph為光生電流，A；D為二極管流過(guò)的電流，A；o為二極管反向飽和電流，A；sh為漏電流，A；PV為光伏輸出電壓，V；sh為并聯(lián)電阻，Ω；s為串聯(lián)電阻，Ω；PV為光伏電池溫度；為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；為電荷量，1.6×10-19C；為二極管因子。

通常因?yàn)椴⒙?lián)電阻sh較大，漏電流sh忽略不計(jì)，同時(shí)串聯(lián)電阻s較小，PV·s也忽略不計(jì)，式（1）簡(jiǎn)化為式（2）。

光伏電池標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為輻照度1 000 W/m2，光伏電池溫度25 ℃條件下的測(cè)量值，光伏電池輸出電流與輸出電壓都會(huì)隨輻照度與電池自身溫度變化而變化，根據(jù)文獻(xiàn)可知光伏電池輸出特性表達(dá)式如下[15]：

式中m為標(biāo)況下最大輸出電流，A；m為標(biāo)況下最大輸出電壓，V；max為光伏電池實(shí)際輸出的最大電流，A；max為光伏電池實(shí)際輸出的最大電壓，V。Δ為光伏電池工作時(shí)自身溫度與25 ℃之差；Δ為光伏電池工作時(shí)太陽(yáng)輻照度與標(biāo)況輻照度ref的數(shù)值1 000 W/m2之差。

光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率定義為光伏電池最大輸出功率max與電池表面的太陽(yáng)能功率in之比。太陽(yáng)能功率in為光伏電池實(shí)際接收的太陽(yáng)光輻照度與電池表面積的乘積。光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率PV見式（5）。

式中in為太陽(yáng)能功率，W；為聚光比；為太陽(yáng)輻照度，W/m2；PV為光伏電池面積，m2。

光伏電池發(fā)電效率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)也可由下式得出[16]。

式中為光伏電池效率溫度系數(shù)，0.004/℃。PV為光伏電池實(shí)際溫度，℃，ref為電池標(biāo)況溫度25 ℃。ref為光伏電池標(biāo)況轉(zhuǎn)換效率，取值范圍為12%～18%[16]。

1.2 溫差電池的能量轉(zhuǎn)換

溫差電池能夠有效回收低品位熱能，通過(guò)塞貝克效應(yīng)，將自身冷熱兩端的溫度差轉(zhuǎn)換為電能[17]。溫差電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由多個(gè)P型與N型半導(dǎo)體組成，通過(guò)銅片串聯(lián)連接，溫差電池的上下表面通常為陶瓷材料導(dǎo)熱基板[18]，整體模型如圖2所示。

溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率TE主要由熱電優(yōu)值系數(shù)ZT決定[19]。

式中TE為溫差電池的轉(zhuǎn)換效率，%；TE-up為溫差電池?zé)岫藴囟?，K；TE-down為溫差電池冷端溫度，K。ZT為熱電優(yōu)值與平均溫度的乘積，溫差電池ZT值可通過(guò)PN結(jié)參數(shù)計(jì)算[20]。

式中PN為PN結(jié)的相對(duì)塞貝克系數(shù)，V/K；PN為PN結(jié)內(nèi)阻，Ω；PN為PN結(jié)熱導(dǎo)，W/K。

式中P與N為P型與N型半導(dǎo)體熱導(dǎo)，W/K；P與N為P型與N型半導(dǎo)體熱導(dǎo)率，W/(K?m)；P與N為P型與N型半導(dǎo)體臂長(zhǎng)，m；P與N為P型、N型半導(dǎo)體截面面積，m2。P與N為P型與N型半導(dǎo)體內(nèi)阻，Ω；P與N為P型與N型半導(dǎo)體電阻率，Ω·m。

溫差電池的輸出功率TE見式（11）。

式中TE為溫差電池橫截面積，m2；h為溫差電池?zé)岫说臒崃?，J。

1.3 系統(tǒng)內(nèi)部能量模型

光伏電池表面接收的輻照能量一部分轉(zhuǎn)換為電能，其余部分轉(zhuǎn)換為熱量，因?yàn)楣夥姵販囟雀哂谕饨绛h(huán)境，光伏電池通過(guò)自然對(duì)流與自然輻射形式與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換，光伏電池表面能量傳遞公式見式（12）。

式中PV-up為光伏電池表面溫度，K；PV-down為光伏電池背板溫度，K；PV為光伏電池等效熱阻，K/W；PV為光伏電池面積，m2；1/air為表面與空氣對(duì)流熱阻，K/W；1/r為表面與環(huán)境輻射熱阻，K/W。

光伏背板與溫差電池接觸，部分光伏電池的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞給溫差電池，因?yàn)闇夭铍姵匦螤钜约安季€等因素，混合發(fā)電系統(tǒng)中溫差電池總面積小于光伏電池背板面積，光伏背板與外界接觸部分會(huì)與外界環(huán)境進(jìn)行自然對(duì)流及自然輻射散熱，光伏電池背板能量傳遞見式（13）。

式中C1為2種電池接觸面的界面熱阻，K/W；TE為溫差電池面積，m2；TE-up為溫差電池?zé)岫藴囟?，K；TE-down為溫差電池冷端溫度，K；TE為溫差電池等效熱阻，K/W；TE為溫差電池功率，W；air為環(huán)境溫度，K。

溫差電池冷端與散熱片連接，散熱片與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱。風(fēng)冷散熱的能量傳遞過(guò)程見式（14）。

式中hs-up為散熱片基板表面溫度，K；hs為散熱片溫度，K；C2為溫差電池與散熱片界面熱阻，K/W；hs-surface為散熱片散熱表面積，m2；hs為散熱片效率，%。

光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)能量傳遞如圖3所示。

光伏電池表面接收的太陽(yáng)輻照能量除了少部分轉(zhuǎn)換為電能，其余都是以熱能形式進(jìn)行傳遞，理想情況下除了系統(tǒng)與外界環(huán)境熱輻射及熱對(duì)流換熱，剩余熱量熱傳導(dǎo)至溫差電池?zé)岫?，光伏溫差混合發(fā)電效率公式如下。

式中為溫度，℃。

工程實(shí)際中通過(guò)測(cè)量光伏電池輸出功率PV與溫差電池輸出功率TE，求出混合發(fā)電效率。

提升溫差電池效率除選用更高熱電優(yōu)值系數(shù)溫差電池外，勢(shì)必需要提升溫差電池兩端溫差，界面溫度改變的同時(shí)光伏電池還與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換。不同光伏電池與溫差電池組合方式的混合發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池與外界換熱面積不同，導(dǎo)致光伏溫差界面熱場(chǎng)分布不同，光伏電池與溫差電池組合方式對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)的影響規(guī)律有待研究。

2 光伏溫差混合發(fā)電建模

2.1 光伏電池仿真分析

Carr等[21]對(duì)多種光伏電池性能進(jìn)行評(píng)估與對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1 a的戶外運(yùn)行多晶硅電池功率衰減最小。多晶硅電池生產(chǎn)成本最低，目前光伏產(chǎn)業(yè)還是以多晶硅電池為主，因此本文針對(duì)以多晶硅電池為主體的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。根據(jù)文獻(xiàn)[22-24]建立多晶硅電池模型，模型參數(shù)如表1所示。仿真時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)組成光伏電池的各種材料介質(zhì)均勻，同一材料同向各處熱導(dǎo)率相等且不受溫度變化影響。

光伏電池在工作中實(shí)際接收到的輻照能量會(huì)因?yàn)楣鈱W(xué)器件效率問題，產(chǎn)生一定的損耗，根據(jù)文獻(xiàn)[25]普通光伏電池表面為光滑玻璃且無(wú)抗反射涂層，透光率為91.7%，多晶硅電池試驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)換效率為16.7%[26]，光伏電池工作時(shí)表面的熱流量PV見式（17）。

通過(guò)Icepak對(duì)多晶硅電池進(jìn)行熱分析，該模型以Y軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较颍h(huán)境溫度為25 ℃，環(huán)境風(fēng)速為2.5 m/s，在光伏電池與外界進(jìn)行自然對(duì)流及自然輻射換熱情況下，1 000 W/m2輻照度光伏電池溫度分布如圖4所示。

由圖4可知光伏電池最高溫度達(dá)到了43.42 ℃，最低溫度為36.46 ℃，求解平均溫度通過(guò)式（6）進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)光伏電池效率為15.65%。為了提高發(fā)電效率，需要對(duì)光伏電池散熱，溫差電池能夠利用光伏電池?zé)崃窟M(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，提高太陽(yáng)能綜合利用率。

2.2 光伏溫差聯(lián)合仿真分析

本文研究中溫差電池選擇廣東FUXIN Corporation生產(chǎn)的TEC1-12706型號(hào)Bi2Te3材質(zhì)半導(dǎo)體溫差電池，根據(jù)文獻(xiàn)[20,27]得出溫差電池內(nèi)部參數(shù)，參數(shù)如表2所示。

表2 溫差電池內(nèi)部參數(shù)

仿真過(guò)程中將溫差電池看做整體進(jìn)行分析，不考慮內(nèi)部接觸熱阻，溫差電池等效熱導(dǎo)率TE計(jì)算公式如下：

式中TE為溫差電池高度，m；ce為陶瓷熱阻，K/W；cu為銅片熱阻，K/W；PN為PN結(jié)熱阻，K/W；w為焊接層熱阻，K/W；TE為溫差電池橫截面積，m2。溫差電池內(nèi)部各模塊熱阻可通過(guò)式（19）得出。

式中為模塊高度，m；為模塊熱導(dǎo)率，W/(K·m)；為模塊橫截面積，m2。

本研究采用商用Bi2Te3溫差電池，低溫差情況下該溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率不足5%，在光伏溫差混合發(fā)電過(guò)程中，主要起熱傳導(dǎo)作用，因此在整體建模中為了計(jì)算簡(jiǎn)便，不考慮熱電效應(yīng)消耗的熱量[28]。溫差電池冷端采用自然風(fēng)冷散熱，使用尺寸為40 mm×40 mm×20 mm的11齒鋁制散熱片，散熱片基板厚4.2 mm，齒高15.8 mm。

溫差電池?zé)岫速N附在光伏電池背板，在實(shí)際應(yīng)用中溫差電池與光伏電池面積比不能達(dá)到目前研究中默認(rèn)的1.00。光伏電池背板部分面積與外界通過(guò)自然對(duì)流及自然輻射形式換熱，導(dǎo)致光伏電池與溫差電池界面熱耦合特性更為復(fù)雜。為了研究溫差電池與光伏電池面積比對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)的影響，本文對(duì)溫差電池與光伏電池面積比分別為0.25、0.50、0.75、1.00的4種混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行研究。

如圖5所示，在光伏電池背面添加溫差電池能夠有效降低光伏電池溫度，在系統(tǒng)與外界自然對(duì)流及自然輻射換熱情況下，溫差電池與光伏電池面積比為0.25，可將光伏電池最高溫度降低11.02%；溫差電池與光伏電池面積比為0.50，可將光伏電池最高溫度降低13.34%；溫差電池與光伏電池面積比為0.75，可將光伏電池最高溫度降低13.80%；溫差電池與光伏電池面積比為1.00，可將光伏電池最高溫度降低23.12%。

3 光伏溫差混合發(fā)電效率影響分析

3.1 接觸熱阻對(duì)系統(tǒng)效率影響分析

光伏電池的溫度升高會(huì)影響自身轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)也導(dǎo)致表面接收的輻照度更多的轉(zhuǎn)換為熱流量，反過(guò)來(lái)繼續(xù)影響自身轉(zhuǎn)換效率，因此需要進(jìn)行迭代求解，才能得出光伏電池在溫度影響下的發(fā)電效率。本文通過(guò)Icepak仿真軟件反復(fù)擬合光伏效率與電池溫度數(shù)值，計(jì)算混合發(fā)電效率。

光伏電池與溫差電池?zé)岫私佑|面及溫差電池冷端與散熱片接觸面存在接觸熱阻，接觸熱阻能夠阻礙接觸界面間的熱量傳遞，為減小接觸熱阻，通常會(huì)在界面添加高熱導(dǎo)率界面材料，同時(shí)接觸壓力也會(huì)影響界面接觸熱阻。根據(jù)文獻(xiàn)[29]可知，光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)接觸熱阻范圍為0～900 mm2·K/W。

為研究接觸熱阻對(duì)熱耦合狀態(tài)混合發(fā)電系統(tǒng)的影響，本文假定溫差電池冷熱兩端接觸熱阻一致，設(shè)定輻照度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度25 ℃，對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)與外界自然對(duì)流及自然輻射情況下的接觸熱阻影響進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果通過(guò)Origin繪制曲線。接觸熱阻0～900 mm2·K/W范圍內(nèi)的不同面積比光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)溫度情況如圖6所示，系統(tǒng)各部分溫度值為ANSYS求解得出的平均溫度值。

根據(jù)圖6仿真結(jié)果可知，接觸熱阻從0增至900 mm2·K/W，溫差電池與光伏電池面積比為0.25，光伏電池溫度上升0.30 K，溫差電池兩端溫差由5.08變?yōu)?.04 K；面積比為0.50，光伏電池溫度上升0.44 K，溫差電池兩端溫差由4.00變?yōu)?.21 K；面積比為0.75，光伏電池溫度上升0.54 K，溫差電池兩端溫差由3.61變?yōu)?.95 K；面積比為1.00，光伏電池溫度上升0.67 K，溫差電池兩端溫差由3.28變?yōu)?.55 K。隨著接觸熱阻值增大，光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)各部分溫度上升，面積比與光伏電池溫度上升幅度正相關(guān)。通過(guò)式（15）計(jì)算不同接觸熱阻對(duì)4種面積比情況混合發(fā)電系統(tǒng)效率影響，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，接觸熱阻0～900 mm2·K/W范圍內(nèi)，面積比為0.25時(shí)混合發(fā)電效率下降0.30%；面積比為0.50時(shí)混合發(fā)電效率下降0.44%；面積比為0.75時(shí)混合發(fā)電效率下降0.54%；面積比為1.00時(shí)混合發(fā)電效率下降0.67%。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，隨著接觸熱阻增大混合系統(tǒng)發(fā)電效率降低。溫差電池與光伏電池面積比增大，系統(tǒng)效率受接觸熱阻影響程度增加。隨著界面接觸熱阻逐漸增大，不同面積比混合發(fā)電系統(tǒng)效率趨于接近。

溫差電池與光伏電池面積比增大意味著二者接觸面積增加，因此接觸熱阻對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)影響程度也隨之增加。

3.2 輻照度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電效率影響分析

光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)為提高混合發(fā)電效率，有必要減小接觸熱阻加強(qiáng)熱傳導(dǎo)，通常界面材料選用硅脂，界面熱阻范圍為20～100 mm2·K/W[30]?；旌习l(fā)電系統(tǒng)的界面接觸壓力較小，因此本文仿真模型界面接觸熱阻根據(jù)文獻(xiàn)選取較小接觸壓力下導(dǎo)熱硅脂接觸熱阻值35 mm2·K/W[13]。為研究輻照度對(duì)不同面積比混合發(fā)電系統(tǒng)影響，本文對(duì)400～1 200 W/m2輻照度范圍內(nèi)的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

如圖8所示，隨著輻照度上升，4種面積比情況下的混合發(fā)電系統(tǒng)整體溫度升高，溫差電池兩端溫差增大。0.25面積比情況下光伏電池溫度上升9.68 K，溫差電池兩端溫差從2.04增至6.07 K；0.50面積比情況下光伏電池溫度上升8.12 K，溫差電池兩端溫差從1.61增至4.83 K；0.75面積比情況下光伏電池溫度上升7.27 K，溫差電池兩端溫差從1.45增至4.37 K；1.00面積比情況下光伏電池溫度上升6.45 K，溫差電池兩端溫差從1.32增至3.95 K。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，隨著輻照度上升，混合發(fā)電系統(tǒng)光伏電池溫度上升，溫差電池兩端溫差增大。溫差電池與光伏電池面積比增加能夠降低光伏電池溫度上升幅度，減少溫差電池兩端溫差增加量。

輻照度對(duì)混合發(fā)電效率的影響如圖9所示，4種不同面積比混合發(fā)電效率隨著輻照度上升而下降。400～1 200 W/m2范圍內(nèi)0.25面積比情況下混合發(fā)電效率下降0.56個(gè)百分點(diǎn)；0.50面積比情況下混合發(fā)電效率下降0.44個(gè)百分點(diǎn)；0.75面積比情況下混合發(fā)電效率下降0.38個(gè)百分點(diǎn)；1.00面積比情況下混合發(fā)電效率下降0.31個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，隨著輻照度上升，溫差電池與光伏電池面積比增大可以減弱混合發(fā)電效率下降趨勢(shì)。輻照度降低，不同面積比的混合發(fā)電系統(tǒng)效率趨于接近，400 W/m2輻照度情況下1.00系統(tǒng)發(fā)電效率僅比效率最低的0.25系統(tǒng)高0.11%。

4 不同面積比混合發(fā)電效率測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，于2020年7月25日－8月4日進(jìn)行室外試驗(yàn)，選用80 mm×80 mm標(biāo)準(zhǔn)5V 160 mA的多晶硅電池與40 mm×40 mm型號(hào)TEC1-12706溫差電池進(jìn)行組合，該尺寸下4片溫差電池不受布線影響，能夠?qū)崿F(xiàn)溫差電池與光伏電池面積比為1.00。試驗(yàn)采用PZEM-031直流多功能表測(cè)量光伏電池輸出電壓與輸出電流，計(jì)量精度1.0級(jí)，負(fù)載為阻值100 Ω電位器。通過(guò)MAS830L萬(wàn)用表測(cè)量溫差電池電壓與電流，直流電壓準(zhǔn)確度為±0.5%，直流電流準(zhǔn)確度為±1.0%。使用JXBS-3001-ZFS太陽(yáng)輻射傳感器測(cè)量輻照度并通過(guò)USB轉(zhuǎn)485模塊傳輸數(shù)據(jù)至PC端，測(cè)量試驗(yàn)如圖10所示。

試驗(yàn)中分別對(duì)無(wú)界面材料4種面積比光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)與界面采用導(dǎo)熱系數(shù)2.0 W/m·K硅脂的4種面積比光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)镻ZEM-031電壓量程為6.5～100 V，當(dāng)輻照度過(guò)低時(shí)光伏電池電壓低于測(cè)量量程，因此測(cè)量試驗(yàn)在輻照度范圍500～1 100 W/m2內(nèi)進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

試驗(yàn)中系統(tǒng)效率范圍為7.0%～8.6%左右，主要因?yàn)樵囼?yàn)采用的市場(chǎng)化多晶硅電池純度不高，光伏效率難以達(dá)到仿真采用的理想光伏電池效率水平，導(dǎo)致太陽(yáng)能功率更多的轉(zhuǎn)換為熱量。同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自然風(fēng)冷的環(huán)境風(fēng)速并不穩(wěn)定，以及測(cè)量?jī)x器存在一定的誤差，導(dǎo)致與仿真結(jié)果相比，系統(tǒng)效率波動(dòng)范圍更大，但系統(tǒng)效率趨勢(shì)與仿真結(jié)果較為接近。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，不同面積比混合發(fā)電系統(tǒng)在低輻照度情況下效率較為接近，輻照度為500 W/m2時(shí)最大系統(tǒng)發(fā)電效率比最小系統(tǒng)發(fā)電效率高0.30%，采用硅脂界面材料的混合發(fā)電系統(tǒng)同一輻照度情況下發(fā)電效率高于相同面積比直接接觸混合發(fā)電系統(tǒng)。與仿真有所區(qū)別的是輻照度大于1 000 W/m2時(shí)，8種不同情況的系統(tǒng)發(fā)電效率趨于接近，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，高輻照度情況下環(huán)境溫度過(guò)高，處于無(wú)風(fēng)狀態(tài)，自然風(fēng)冷散熱效果較差，導(dǎo)致系統(tǒng)溫度接近，1 100 W/m2輻照度時(shí)最大系統(tǒng)發(fā)電效率比最小系統(tǒng)發(fā)電效率高0.17個(gè)百分點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)不同面積比情況下的界面熱耦合特性及混合發(fā)電效率進(jìn)行研究，分析了接觸熱阻與輻照度對(duì)混合系統(tǒng)溫度及混合發(fā)電效率的影響規(guī)律并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

1）溫差電池與光伏電池面積比影響混合發(fā)電系統(tǒng)溫度，溫差電池兩端溫差隨光伏電池溫度上升而增加。標(biāo)準(zhǔn)情況下0.25、0.50、0.75與1.00面積比混合發(fā)電系統(tǒng)將光伏電池最高溫度分別降低11.02%、13.34%、13.80%與23.12%，降溫效果隨溫差電池與光伏電池面積比增大而增強(qiáng)。

2）隨著面積比增大，混合發(fā)電效率提升，在光伏溫差混合發(fā)電實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在保證布線質(zhì)量的前提下盡可能的提高溫差電池與光伏電池面積比。隨著溫差電池與光伏電池面積比升高，接觸熱阻對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)影響增大，為了提高混合發(fā)電效率，系統(tǒng)需要采用高熱導(dǎo)率界面材料減少接觸熱阻。

3）實(shí)際應(yīng)用中環(huán)境平均輻照度較低時(shí)，可以考慮減少溫差電池與光伏電池面積比，降低發(fā)電成本?；旌习l(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常工作于輻照度1 000 W/m2以上且風(fēng)速較低的環(huán)境時(shí)，系統(tǒng)不宜選擇自然風(fēng)冷散熱。

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Thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface and efficiency of hybrid power generation

Li Xinran, Wang Lishu※, Li Chuang, Dong Yuqing, Li Tianshu

(150030,)

When photovoltaic power generation is in sufficient light, heat generated by solar radiation will hinder photoelectric conversion effect. Excessive temperature will also shorten the working life of the photovoltaic cell itself. The photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation technology is to add thermoelectric cell to the photovoltaic cell backplane, using the heat that affects the conversion efficiency and working life of photovoltaic cell as heat source for thermoelectric power generation. Through thermoelectric cell converting waste heat of photovoltaic cell into electrical energy. In actual application of photovoltaic-thermoelectric system uses a combination of multiple thermoelectric cells and photovoltaic cells. Multiple thermoelectric cell wires need to be wired，thermoelectric cells also have dimensional errors. Therefore, the area of photovoltaic cell is usually larger than that of thermoelectric cell. Part of photovoltaic cell backplane conducts natural convection and natural radiation heat exchange with the outside world. The thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface are more complicated, and the law of influence on the efficiency of hybrid power generation system needs to be explored. These research use finite element software to simulate interface thermal field distribution of photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation system, verification by experiment, in the case of 4 types of thermoelectric cell and photovoltaic cell area ratios investigating the influence law of hybrid power generation system temperature and hybrid power generation efficiency. The results show that the area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell affects the temperature of hybrid power generation system, and system cooling effect of the photovoltaic cell in the hybrid power generation system increases when the area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell increases. Respectively, under the standard conditions system with area ratios of 0.25, 0.50, 0.75 and 1.00 reduces the temperature of photovoltaic cell by 11.02%, 13.34%, 13.80% and 23.12%. Increasing area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell can improve the efficiency of hybrid power generation system. Reducing contact thermal resistance can improve efficiency of hybrid power generation system on the same area ratio. As interface contact thermal resistance increases, efficiency of the hybrid power generation system decreases. Under condition of low irradiance, efficiency of photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation system with different area ratios tends to be close. Through finite element simulation analysis and test verification, using high thermal conductivity interface materials, the hybrid power generation system with area ratio of 1.00 has the highest power generation efficiency. Therefore, in the practical application of photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation, on the premise of ensuring the quality of the thermoelectric cell wiring, increasing the area ratio of thermoelectric cell and photovoltaic cell as much as possible. As the area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell increases, contact thermal resistance influence on hybrid power generation system increases. For improve the efficiency of hybrid power generation system, the system interface contact thermal resistance requires the use of high thermal conductivity interface materials to reduce contact thermal resistance. The experiment uses cell widely used in the market to study the influence law of hybrid power generation system temperature and hybrid power generation efficiency, providing a reference for the combined use of photovoltaic cell and thermoelectric cell.

photovoltaic; irradiance; temperature difference; thermal contact resistance; generation efficiency

李欣然，王立舒，李闖，等. 光伏溫差界面熱耦合特性及混合發(fā)電效率[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(1)：233-240.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.028 http://www.tcsae.org

Li Xinran, Wang Lishu, Li Chuang, et al. Thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface and efficiency of hybrid power generation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 233-240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.028 http://www.tcsae.org

2020-08-09

2020-12-10

黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

李欣然，博士生，研究方向：電力新能源開發(fā)與利用。Email：827623386@qq.com

王立舒，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.028

TM913

A

1002-6819(2021)-01-0233-08