PV-PCM-TE系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電熱性能分析

王立舒，白 龍,2，房俊龍，李欣然

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

PV-PCM-TE系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電熱性能分析

王立舒1，白 龍1,2，房俊龍1※，李欣然1

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，牡丹江 157011）

光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)（Photovoltaic-Thermoelectric，PV-TE）溫度隨輻照度變化而波動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率產(chǎn)生較大的影響。將相變材料（Phase Change Material，PCM）加入PV-TE系統(tǒng)，設(shè)計(jì)基于相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)（Photovoltaic-Phase ChangeMaterials-Thermoelectric，PV-PCM-TE），通過(guò)相變材料的相變潛熱特性提高系統(tǒng)在輻照度變化下的穩(wěn)定性。該文分析了系統(tǒng)內(nèi)部能量傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，搭建試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試PV-PCM-TE系統(tǒng)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在輻照度最高的11:00—14:00期間，光伏電池的最高溫度基本維持在相變材料的相變溫度，使系統(tǒng)在適宜的工作溫度下運(yùn)行；冷卻系統(tǒng)采用水冷，冷卻效果優(yōu)于自然風(fēng)冷，系統(tǒng)接觸面選用高導(dǎo)熱率材料減小接觸熱阻提高系統(tǒng)發(fā)電效率；PV-PCM-TE系統(tǒng)相比PV-TE系統(tǒng)，電效率與電功率分別增加了1.05%和16.21%，全年測(cè)試期間PV-PCM-TE系統(tǒng)最大電效率為22.28%，最大熱效率為32.55%，最大?效率為27.32%。系統(tǒng)所獲電能可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)供電，并為植物生長(zhǎng)提供部分熱能。

光伏；溫差；混合發(fā)電；輻照度；相變材料；接觸熱阻

0 引 言

太陽(yáng)能等新能源開(kāi)發(fā)與利用是保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和解決能源危機(jī)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)光伏技術(shù)可將17%～18%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能[3]，其余部分轉(zhuǎn)換為熱量，光伏電池溫度持續(xù)升高會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率與光伏電池壽命降低[4-5]。光伏溫差混合發(fā)電技術(shù)通過(guò)溫差電池將光伏發(fā)電過(guò)程中的熱量轉(zhuǎn)換為電能，降低了光伏電池溫度，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的梯級(jí)利用[6-7]。

1979年Swanson[8]首先提出光伏溫差混合發(fā)電技術(shù)，但當(dāng)時(shí)溫差電池成本過(guò)高，該系統(tǒng)并不流行。Deng等[9]通過(guò)集熱器將光伏電池廢熱傳導(dǎo)至溫差電池進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了光伏溫差混合發(fā)電，提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。王金平等[10-11]設(shè)計(jì)了光伏溫差混合發(fā)電槽式集熱器及太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。Zhang等[12]研究了熱阻對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)效率的影響。Chen等[13]研究了水流量與輻照度對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)電、熱效率的影響。Kraemer等[14]利用分光法對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高了太陽(yáng)能發(fā)電效率。Yin等[15]發(fā)現(xiàn)影響混合發(fā)電系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素是光伏電池與溫差電池的性能匹配，提出了選擇和優(yōu)化混合系統(tǒng)器件的原則與方法?，F(xiàn)有研究中大多將光伏電池與溫差電池進(jìn)行簡(jiǎn)單的耦合，即光伏電池與溫差電池?zé)岫酥苯酉噙B，忽略了二者在發(fā)電過(guò)程中對(duì)溫度的需求不同[16-17]。當(dāng)溫差電池冷端溫度恒定時(shí)，光伏電池溫度不斷升高將降低光伏發(fā)電效率，而溫差電池?zé)岫宋展夥姵氐挠酂崾箿夭詈托试龃螅幌喾?，降低光伏電池的工作溫度可以提高光伏發(fā)電的效率，但溫差電池的溫差和效率將會(huì)降低。因此，探索合理的光伏電池和溫差電池的耦合結(jié)構(gòu)，使光伏電池與溫差電池工作溫度匹配是混合系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)了一種新型聚光光伏溫差聯(lián)合發(fā)電裝置，在光伏電池與溫差電池之間添加相變材料調(diào)控系統(tǒng)工作溫度。并搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)裝置性能進(jìn)行測(cè)試，分析相變材料、界面接觸熱阻與冷卻水流速等因素對(duì)基于相變材料的光伏溫差混合發(fā)電特性影響。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

聚光光伏溫差混合發(fā)電裝置主要包括拋物型聚光器、光伏溫差混合發(fā)電部分、流量計(jì)、可調(diào)水泵、熱交換器及儲(chǔ)熱箱等組成，裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏電池表面朝向拋物型聚光器，并沿其焦點(diǎn)線排列在托架最外側(cè)。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器連接聚光器中軸，轉(zhuǎn)軸方向設(shè)置為南北，在豎直面內(nèi)東西方向轉(zhuǎn)動(dòng)聚光器跟蹤太陽(yáng)[18-22]。

裝置混合發(fā)電部分結(jié)構(gòu)如圖2所示，光伏電池、相變?nèi)萜鳌夭铍姵?、扁平熱管依次層疊連接，各接觸面均勻涂抹導(dǎo)熱性能良好的硅脂。光伏電池接收太陽(yáng)能將部分能量轉(zhuǎn)換為電能，其余太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱量傳遞給相變材料潛熱吸收。當(dāng)相變材料完全融化或輻照度大幅度降低時(shí)，會(huì)釋放熱量給溫差電池?zé)岫恕１馄綗峁苷舭l(fā)段連接到溫差電池冷端，冷凝段采用硅酮膠固定密封于冷卻水箱內(nèi)，扁平熱管內(nèi)流動(dòng)的冷卻水降低溫差電池冷端溫度，形成溫差并通過(guò)塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電能。系統(tǒng)通過(guò)流量計(jì)與水泵調(diào)節(jié)水流量，產(chǎn)生的熱水由儲(chǔ)熱箱儲(chǔ)存進(jìn)行熱利用。

1.拋物型聚光器 2.混合發(fā)電部分 3.熱交換器 4.流量計(jì) 5.可調(diào)水泵 6.儲(chǔ)熱箱 7.聯(lián)軸器 8.步進(jìn)電機(jī) 9.PLC

1.太陽(yáng)光 2.聚光器 3.光伏電池 4.相變材料容器 5.溫差電池 6.扁平熱管

從經(jīng)濟(jì)性、光電轉(zhuǎn)換效率與環(huán)保等因素綜合考慮，本研究選用多晶硅光伏電池，電池尺寸為600 mm× 60 mm×2.3 mm[23-24]。溫差電池由12個(gè)SP1848-27145型號(hào)的溫差發(fā)電片串聯(lián)組成，尺寸為40 mm×40 mm×3.4 mm，光伏電池與溫差電池參數(shù)如表1和表2所示。扁平熱管蒸發(fā)段600 mm×60 mm（長(zhǎng)×寬），冷凝段100 mm×60 mm（長(zhǎng)×寬）。

相變材料容器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，相變材料容器尺寸為600 mm×60 mm×10 mm，為了增強(qiáng)相變材料內(nèi)部的傳熱能力，在相變?nèi)萜髦虚g布置一塊480 mm×12 mm× 10 mm的銅塊，其余地方布置了一定數(shù)量的銅制肋片。在距離相變材料中心50 mm、150 mm和250 mm位置處布置3個(gè)K型熱電偶，分別命名為A測(cè)溫點(diǎn)、B測(cè)溫點(diǎn)和C測(cè)溫點(diǎn)，用來(lái)測(cè)量相變材料的溫度分布。

表1 光伏電池主要參數(shù)表

注：元件參數(shù)來(lái)源于說(shuō)明書(shū)，下同。

Note: Component parameters come from the specification, the same below.

表2 溫差電池主要參數(shù)

1.銅塊 2.銅制肋片

1.2 相變材料

相變材料在一定溫度范圍內(nèi)能夠改變自身物理狀態(tài)，當(dāng)相變材料發(fā)生相變時(shí)將吸收或釋放大量的潛熱，同時(shí)材料維持在一個(gè)恒定的相變溫度附近[25]。相變材料狀態(tài)與溫度關(guān)系如式（1）所示。

式中m是相變材料的相變溫度，K；是相變材料吸收或釋放的熱能，J；當(dāng)相變材料吸熱時(shí)，為正值，當(dāng)相變材料放熱時(shí)，為負(fù)值；是相變材料的潛熱，J；s是相變材料固態(tài)時(shí)比熱容，J/(k·g·K)；L是相變材料液態(tài)時(shí)比熱容，J/(k·g·K)。

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中已經(jīng)引入相變材料調(diào)控光伏電池工作溫度[26-28]。本研究在原有層疊型光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)中引入相變材料，通過(guò)相變材料的相變潛熱來(lái)調(diào)控光伏溫差混合系統(tǒng)的工作溫度。因此，相變材料的選取主要是由混合系統(tǒng)的最佳工作溫度所決定的。根據(jù)系統(tǒng)所用光伏電池和溫差電池的性能參數(shù)，系統(tǒng)最佳工作溫度主要分布在300至375K之間，這個(gè)溫度區(qū)間，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性考慮，石蠟是非常適合的相變材料。石蠟具有相變潛熱大、熱穩(wěn)定性好、不易發(fā)生相分離及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但石蠟熱導(dǎo)率較低。因此將具有高導(dǎo)熱性、高穩(wěn)定性及高吸收性的膨脹石墨與石蠟混合構(gòu)成復(fù)合相變材料[29-30]。相變?nèi)萜髦刑畛涫灱s750g，膨脹石墨占比接近10%，復(fù)合相變材料的厚度為8 mm，熱導(dǎo)率為0.28 W/(m·K)。

注：Qin為系統(tǒng)總能量，W；TPV-up為光伏電池表面溫度，K；TPV為光伏電池溫度，K；TPV-down為光伏電池背板溫度，K；TPCM-up為相變?nèi)萜魃媳砻鏈囟龋琄；TPCM為相變材料溫度，K；TPCM-down為相變?nèi)萜飨卤砻鏈囟龋琄；TTE-hot為溫差電池?zé)岫藴囟?，K；TTE為溫差電池溫度，K；TTE-cold為溫差電池冷端溫度，K；Ths為冷卻水溫度，K；Twm為水的平均溫度，K；1/hair為各部件表面與空氣的對(duì)流熱阻，W·m-2·K-1；1/hr為各部件表面與環(huán)境的輻射熱阻，(m2·K)·W-1；hw為水的對(duì)流換熱系數(shù)，W·(m2·K)-1；PPV為光伏電池功率，W；PTE為溫差電池功率，W；ΔH為相變材料吸收的能量，W；RPV為光伏電池單位面積熱阻，(m2·K)·W-1；RC1為光伏電池與相變?nèi)萜鹘缑娴膯挝幻娣e熱阻，(m2·K)·W-1；RPCM為相變材料單位面積熱阻，(m2·K)·W-1；RC2為相變?nèi)萜髋c溫差電池界面的單位面積熱阻，(m2·K)·W-1；RTE為溫差電池單位面積熱阻，(m2·K)·W-1；RC3為溫差電池與水冷裝置界面的單位面積熱阻，(m2·K)·W-1；Rhs為水冷裝置單位面積熱阻，(m2·K)·W-1；

2 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與分析

2.1 能量傳遞模型

通過(guò)系統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部能量傳遞模型。系統(tǒng)熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，太陽(yáng)光經(jīng)拋物式聚光器聚光后照射在光伏電池表面，部分太陽(yáng)能被光伏電池轉(zhuǎn)換為電能，其余部分轉(zhuǎn)換為熱能導(dǎo)致光伏電池溫度高于環(huán)境溫度，光伏電池通過(guò)空氣對(duì)流與輻射散熱形式與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換。光伏電池表面能量傳遞公式可由式（2）給出。

式中為光學(xué)聚光比；為太陽(yáng)輻照度，W/m2；PV為光伏電池面積，m2；PV為光伏電池功率，W；ref為電池標(biāo)況溫度25 ℃。

光伏電池背板通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與相變?nèi)萜鹘佑|，相變材料吸收熱量溫度升高，當(dāng)達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)發(fā)生相變，并將系統(tǒng)溫度維持在相變材料的相變溫度。光伏電池背板的能量傳遞可由式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中PCM為相變?nèi)萜髅娣e，m2；air為環(huán)境溫度，K。

相變?nèi)萜飨卤砻嫱ㄟ^(guò)導(dǎo)熱硅脂與溫差電池?zé)岫诉B接，由于相變材料溫度高于溫差電池溫度與環(huán)境溫度，部分熱量傳遞給溫差電池，其余部分通過(guò)輻射與對(duì)流方式損失。相變材料與溫差電池的能量傳遞過(guò)程如式（4）、式（5）所示。

式中TE為溫差電池面積，m2；TE-hot為溫差電池?zé)岫藴囟龋琄；C2為相變?nèi)萜髋c溫差電池界面的單位面積熱阻，m2·K/W；TE-cold為溫差電池冷端溫度，K；TE為溫差電池單位面積熱阻，m2·K/W；TE為溫差電池功率，W。

溫差電池冷端與水冷裝置連接，水冷散熱能量傳遞過(guò)程見(jiàn)式（6）。

式中hs-up水冷裝置上表面的溫度，K；hs為水冷裝置面積，m2；hs-down水冷裝置下表面的溫度，K；c為流體通道的截面積，mm2；wm為水的平均溫度，K；為流體通道的寬度，mm；為流體通道的高度，mm；w為水的密度，kg/m3；w為水的熱容，J/(k·g·K)；w為水的流速，m/s；為流體通道的數(shù)量；wo為出口處水的溫度，K；wi為入口處水的溫度，K；w為水的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，可由下式（7）得出。

式中w為水的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；u為努賽爾系數(shù)；h為流體通道的水力直徑，mm。

2.2 系統(tǒng)效率分析

光伏電池的效率取決于電池材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及光伏電池的工作溫度。光伏電池發(fā)電效率PV可由式（8）得出[30]。

式中為光伏電池效率溫度系數(shù)，K-1；PV為光伏電池實(shí)際溫度，K；ref為光伏電池標(biāo)況轉(zhuǎn)換效率，取值范圍為12%～18%[30]。

光伏電池的輸出功率PV與光電轉(zhuǎn)換效率PV關(guān)系如式（9）。

相變?nèi)萜髋c水冷裝置使溫差電池冷熱兩端形成溫度差，通過(guò)塞貝克效應(yīng)將熱量轉(zhuǎn)換為電能。溫差電池?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率TE可由式（10）得出。

式中ZT為溫差電池的品質(zhì)因子，ZT值可由式（11）得出。

式中為溫差電池的塞貝克系數(shù)，V/K；為溫差電池的電導(dǎo)率，S/m；為溫差電池的熱導(dǎo)率，W/(m·K)。

溫差電池的輸出功率TE為

結(jié)合相變材料的光伏溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)效率可表示為式（13）。

式中pump為水冷所需的泵功，pump可由式（14）得出。

式中Δ為水冷裝置進(jìn)出口水的壓降，Pa；v為體積流量，m3/s；為摩擦因子；hs為水冷裝置的寬度，mm。

3 裝置試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試方法

為了研究結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)性能，在哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（45°72′N(xiāo)，126°68′E）進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)日期為2020年10月1日—2021年9月30日，每月根據(jù)天氣預(yù)報(bào)選取天氣晴朗的3～6 d進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為試驗(yàn)當(dāng)天的8:00～16:00。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、光伏電池溫度、溫差電池?zé)岫藴囟?、熱管冷凝段溫度、溫差電池冷端溫度、相變材料與相變?nèi)萜鳒囟龋鋮s水流量等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的輸出功率、光電轉(zhuǎn)換效率、熱電轉(zhuǎn)換效率及混合發(fā)電系統(tǒng)效率，試驗(yàn)所用主要儀器參數(shù)如表3所示。

為了減少聚光損失，聚光裝置南北傾斜30°角正向12:00太陽(yáng)方向放置，試驗(yàn)裝置連接示意圖如圖5所示。K型貼片式熱電偶T1～T4用導(dǎo)熱膠粘貼在光伏電池邊緣，測(cè)量光伏電池溫度。熱電偶T5～T11測(cè)量相變材料溫度。熱電偶T12、T13粘貼于熱管蒸發(fā)段上表面，測(cè)量溫差電池冷端溫度。T14、T15置于溫差電池上表面兩端，測(cè)量溫差電池?zé)岫藴囟取16、T17布置在冷卻水箱出口，測(cè)量冷卻流體出口溫度。冷卻水箱進(jìn)口管道處放置有溫度探頭的流量計(jì)，測(cè)量水箱進(jìn)口溫度和流量，并可調(diào)節(jié)水流量。

表3 儀器參數(shù)表

注：T1～T17 為測(cè)量溫度所用的熱電偶。

負(fù)載選用150 Ω變阻器，光伏電池和溫差電池輸出連接雙輸入DC-DC變換器后采用文獻(xiàn)[31]算法進(jìn)行MPPT控制，系統(tǒng)輸出電壓電流經(jīng)U/I變送器送入數(shù)據(jù)采集卡。熱電偶采樣輸出經(jīng)溫度變送器同樣送入數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程中的環(huán)境參數(shù)，溫度、太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度和風(fēng)速等參數(shù)測(cè)量后通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖6所示，由于哈爾濱月平均輻照度成梭形分布，6月份平均輻照度最高[32]，因此系統(tǒng)瞬時(shí)性能測(cè)試選取2021年6月份進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試了結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電裝置在不同輻照度、冷卻方式、冷卻水流速及接觸熱阻情況下的溫度、輸出功率等性能參數(shù)。

試驗(yàn)期間環(huán)境溫度與太陽(yáng)輻照度的變化曲線如圖7所示，環(huán)境溫度范圍為285.6～300.5 K，輻照度變化范圍為443.3～748.4 W/m2，輻照度最大值出現(xiàn)在中午12點(diǎn)左右。

采用水冷冷卻措施的系統(tǒng)運(yùn)行溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，光伏電池的最高溫度326.5 K，出現(xiàn)在13:30，此時(shí)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度為735.5 K/m2。這時(shí)相變材料內(nèi)部溫度分別為T(mén)PCM-A為324.5 K，TPCM-B為320.5 K，TPCM-C為318.5 K。溫差電池?zé)岫藴囟葹?20.1 K，溫差電池冷端溫度為306 K。在一天輻照度最強(qiáng)的11:00—14:00期間，光伏電池的溫度基本維持在326 K。相變材料具有良好的溫度調(diào)控特性，在輻照度變化的情況下，可以使光伏電池維持在相對(duì)較低的工作溫度，有效地減小了系統(tǒng)溫度波動(dòng)。光伏電池的溫度稍高于相變材料的平均溫度321.2 K。而溫差電池?zé)岫说臏囟然窘咏嘧儾牧掀骄鶞囟?，只有在下?4:00—16:00期間相變材料平均溫度略高于溫差電池?zé)岫藴囟龋驗(yàn)榇藭r(shí)輻照度開(kāi)始下降，相變材料放熱導(dǎo)致。由于石蠟導(dǎo)熱率較低，且溫度分布不均勻，距離相變材料中心較近的A點(diǎn)和B點(diǎn)處發(fā)生了相變，遠(yuǎn)離中心的C點(diǎn)并未達(dá)到相變溫度，進(jìn)一步提升相變材料的熱導(dǎo)率對(duì)于混合發(fā)電系統(tǒng)性能的提升具有積極意義。

1.拋物型聚光器 2.光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng) 3.總輻照度測(cè)試儀 4.直接輻照度測(cè)試儀 5.數(shù)據(jù)采集卡 6.DSP 7.計(jì)算機(jī) 8.可編程控制器 9.直流多功能表 10.負(fù)載

圖7 環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

冷卻系統(tǒng)可以移除系統(tǒng)多余的熱量，將溫差電池冷端維持在較低的溫度，不同冷卻方式下溫差電池溫度的變化情況如圖9所示。隨著冷卻水流速的增加，對(duì)流換熱系數(shù)增大，系統(tǒng)輸出功率增大，當(dāng)水流速達(dá)到6 L/min 時(shí)，溫度變化趨于平緩。采取自然風(fēng)冷時(shí)，冷卻效果較差，溫差電池冷端溫度遠(yuǎn)高于水冷時(shí)的冷端溫度，而溫差電池?zé)岫藴囟仍?種冷卻方式下差異不大。采用水冷冷卻方式的系統(tǒng)溫差電池最大溫差為13.4 K，采用自然風(fēng)冷的系統(tǒng)溫差電池的最大溫差為3.6 K，水冷冷卻能夠有效降低溫差電池冷端溫度，提高溫差電池輸出功率。由于相變材料較好的吸熱、儲(chǔ)熱特性，冷卻方式對(duì)光伏電池溫度影響不大，光伏電池輸出特性基本相同。

圖9 不同冷卻方式對(duì)溫差電池溫度的影響

結(jié)合相變材料的混合發(fā)電系統(tǒng)存在多個(gè)接觸面，如圖10所示，比較了3種不同接觸方式對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)效率的影響，分別為直接接觸、導(dǎo)熱硅脂1熱導(dǎo)率為2.0 W/(m·K)、導(dǎo)熱硅脂2熱導(dǎo)率為5.15 W/(m·K)。3種接觸方式溫差電池最大溫差分別為5.4 K、11.2 K、13.4 K，光伏電池平均效率分別為18.10%、18.3%、18.38%，系統(tǒng)總效率分別為19.6%、19.95%、20.18%，綜合評(píng)估使用導(dǎo)熱硅脂2的系統(tǒng)性能最好。由此可見(jiàn)，導(dǎo)熱性能好的材料可有效降低接觸熱阻，從而降低光伏電池溫度、增大溫差電池的溫差和混合發(fā)電系統(tǒng)的總效率。

圖10 不同接觸面對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)的影響

如圖11所示，為光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)（PV-TE）和結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)（PV-PCM-TE）電性能的比較。結(jié)合相變材料的溫差混合發(fā)電系統(tǒng)輸出電功率為70～98.65 W，電效率17.8%～22.28%，試驗(yàn)8 h平均功率為86.89 W，平均效率為21.08%，發(fā)出電量695.12W·h，最大功率與效率均出現(xiàn)在下午13:00左右。相比于PV-TE系統(tǒng)，電效率增加了1.05%，電功率增加了16.21%。這是因?yàn)樵赑V-PCM-TE系統(tǒng)中，相變材料使光伏電池始終處于相對(duì)較低的溫度，提高了光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)在輻照度逐漸降低的時(shí)候，溫差電池?zé)岫宋障嘧儾牧厢尫诺臒崃?，增加了溫差電池的發(fā)電量。

圖11 系統(tǒng)電性能比較

如圖12所示，PV-PCM-TE系統(tǒng)和PV-TE系統(tǒng)在不同季節(jié)的性能進(jìn)行比較，冷卻方式均為水冷，冷卻水流速為6 L/min。

春、夏、秋、冬四季PV-PCM-TE系統(tǒng)輸出最大電效率分別為21.15%、22.28%、21.52%、20.56%，最大熱效率分別為28.86%、32.55%、30.54%、22.38%，最大?效率分別為25.20%、27.32%、26.50%、23.86%，相比PV-TE系統(tǒng)，年平均電效率、熱效率、?效率分別提高了0.52%、2.05%、1.85%。各項(xiàng)性能指標(biāo)最大值均出現(xiàn)在夏季。通過(guò)全年試驗(yàn)結(jié)果分析，本研究提出的結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性，同時(shí)輸出較為可觀的熱能和電能。

圖12 不同季節(jié)系統(tǒng)性能比較

4 結(jié) 論

本文提出了結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程進(jìn)行分析，并在哈爾濱地區(qū)對(duì)其全年性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）相變材料能夠抑制輻照度波動(dòng)對(duì)光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)在適宜的工作溫度下運(yùn)行，在輻照度最強(qiáng)的11:00—14:00期間，光伏電池的最高溫度為326.5 K，基本維持在相變材料的相變溫度區(qū)間。PV-PCM-TE系統(tǒng)采用水冷方式，冷卻效果優(yōu)于自然風(fēng)冷。接觸面選用高導(dǎo)熱率材料減小接觸熱阻，提高系統(tǒng)發(fā)電效率。

2）PV-PCM-TE系統(tǒng)在瞬時(shí)性能與PV-TE系統(tǒng)相比，電效率和電功率分別增加了1.05%和16.21%。全年測(cè)試期間，系統(tǒng)電、熱性能均隨季節(jié)變化而改變，夏季最優(yōu)，冬季最差，最大電效率為22.28%、最大熱效率為32.55%、最大?效率為27.32%。

3）本文設(shè)計(jì)的結(jié)合相變材料的光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)，增強(qiáng)了混合發(fā)電系統(tǒng)在變輻照度下的穩(wěn)定性，具有較優(yōu)的發(fā)電性能與熱能輸出，可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室的環(huán)境監(jiān)控、照明系統(tǒng)供電，并能為植物生長(zhǎng)提供部分熱能。研究?jī)?nèi)容對(duì)于光伏溫差混合發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

[1] 楊亞林，朱德蘭，李丹，等. 積灰和光照強(qiáng)度對(duì)光伏組件輸出功率的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(5)：203-211.

Yang Yalin, Zhu Delan, Li Dan, et al. Influence of dust accumulation and light intensity on output power of photovoltaic modules[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 203-211. (in Chinese with English abstract)

[2] 王立舒，李琳，梁秋艷，等. 溫室聚光光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(14)：8-15.

Wang Lishu, Li Lin, Liang Qiuyan, et al. Design and performance test of CPC-PV/TE hybrid power generation system in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 8-15. (in Chinese with English abstract)

[3] Hasan A, Sarwar J, Shah A H. Concentrated photovoltaic: A review of thermal aspects, challenges and opportunities. Renew[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018,94:835-852.

[4] 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.

Li Xinran, Wang Lishu, Li Chuang, et al. Thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface and efficiencyof 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)

[5] Hachem F, Abdulhay B, Ramadan M, et al. Improving the performance of photovoltaic cells using pure and combined phase change materials-experiments and transient energy balance[J]. Renewable Energy, 2017, 107: 567-575.

[6] 馮利佳，殷二帥，李強(qiáng). 聚光和非聚光光伏-熱電耦合系統(tǒng)的優(yōu)化[J]. 科學(xué)通報(bào)，2019，64(18)：1943-1952.

Feng Lijia, Yin Ershuai, Li Qiang. Optimization of the photovoltaic-thermoelectric hybrid system with and without optical concentrator[J]. Chinese Science Bulletin, 2019, 64(18): 1943-1952. (in Chinese with English abstract)

[7] 鄧華. 太陽(yáng)能光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)的研究[D]. 南昌：南昌大學(xué)，2015.

Deng Hua. The Research of Photovoltaic-Thermoelectric (PV-TE) Hybrid Power Systems[D]. Nanchang: Nanchang University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[8] Swanson R M. A proposed thermophotovoltaic solar energy conversion system[J]. Proceedings of the IEEE, 1979, 67(3):446-447.

[9] Deng Y, Zhu W, Wang Y, et al. Enhanced performance of solar-driven pho-tovoltaic-thermoelectric hybrid system in an integrated design[J]. Sol. Energy, 2020, 88: 182-191.

[10] 王金平，王軍，張耀明，等. 槽式太陽(yáng)能聚光集熱器傳熱特分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(7)：185-192.

Wang Jinping, Wang Jun, Zhang Yaoming, et al. Analysis of heat transfer characteristics for parabolic trough solar collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 185-192. (in Chinese with English abstract)

[11] 王金平，王軍，馮煒，等. 槽式太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(2)：45-52.

Wang Jinping, Wang Jun, Feng Wei, et al. Development and application of sun-tracking control system for parabolic trough solar collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 45-52. (in Chinese with English abstract)

[12] Zhang J, Xuan Y. Investigation on the effect of thermal resistances on a highly concentrated photovoltaic-thermoelectric hybrid system[J]. Energy Conversion and Management，2016，129：1-10.

[13] Chen H, Liu H, Zhang H, et al. Numerical simulation and experimental analysis of an LCPV/T system under real operating conditions[J].Journal of Cleaner Production, 2019, 209: 903-915.

[14] Kraemer D, Hu L, Muto A, et al. Photovoltaic-thermoelectric hybrid systems: A general optimization methodology[J]. Applied Physics Letters, 2008, 2(24): 3503.

[15] Yin E, Li Q, Xuan Y. Optimal design method for concentrating photovoltaic-thermoelectric hybrid system[J]. Applied Energy, 2018, 226: 320-329.

[16] 劉暢，陳啟卷，陳桂月，等. 光伏-燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2018，39(11)：3113-3119.

Liu Chang, Chen Qijuan, Chen Guiyue, et al. Modeling and simulation of PV-fuel cell hybrid power system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(11): 3113-3119. (in Chinese with English abstract)

[17] 王軍，張超震，董彥，等. 溫差發(fā)電模型的熱電性能數(shù)值計(jì)算和分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2019，40(1)：44-50.

Wang Jun, Zhang Chaozhen, Dong Yan, et al. Numerical calculation and analysis on properties of thermoelectric generation model[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2019, 40(1): 44-50. (in Chinese with English abstract)

[18] ?zdemir A E, K?ysal Y, ?zba? E, et al. The experimental design of solar heating thermoelectric generator with wind cooling chimney[J]. Energy Conversion & Management, 2015, 98: 127-133.

[19] 周希正，馬春元，張立強(qiáng)，等. 太陽(yáng)能水純化熱水一體化裝置性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(20)：228-235.

Zhou Xizheng, Ma Chunyuan, Zhang Liqiang, et al. Performance analysis and experiment of solar hot water and pure water co-production system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(20): 228-235. (in Chinese with English abstract)

[20] 王志敏，產(chǎn)文武，楊暢，等. 雙軸跟蹤槽式聚光器的焦面能流測(cè)試與聚光特性[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，2020，40(5)：59-66.

Wang Zhimin, Chan Wenwu, Yang Chang, et al. Focal-plane energy flux test and focusin g characteristic of dual-axis tracking trough concentrator[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(5): 59-66. (in Chinese with English abstract)

[21] 周希正，馬春元，張立強(qiáng)，等. 固定條形鏡面太陽(yáng)能聚光器設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(1)：160-168.

Zhou Xizheng, Ma Chunyuan, Zhang Liqiang, et al. Design and performance experiment of solar concentrator with fixed trip mirror surface[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(1): 160-168. (in Chinese with English abstract)

[22] 王金平，王軍，張耀明，等. 槽式太陽(yáng)能聚光器跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行特性分析[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2016，37(12)：3125-3131.

Wang Jinping, Wang Jun, Zhang Yaoming, et al. Analysis of operating characteristics for tracking system of parabolic trough solar collector[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(12): 3125-3131. (in Chinese with English abstract)

[23] 梁秋艷. 聚光太陽(yáng)能溫差發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)及熱電性能機(jī)理研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

Liang Qiuyan. Research of Concentration Solar hermoelectric Generation Key Technology and Thermoelectric Performance Mechanism[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[24] 王立舒，李琳，梁秋艷，等. 溫室聚光光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(14)：8-15.

Wang Lishu, Li Lin, Liang Qiuyan, et al. Design and performance test of CPC-PV/TE hybrid power generation system in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 8-15. (in Chinese with English abstract)

[25] Huang M J, Eames P C, Norton B. Thermal regulation of building-integrated photovoltaics using phase materials[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2004, 47(12-13): 2715-2733.

[26] 陳志能. 光伏電池板的石墨烯/石蠟相變材料散熱性能研究[D]. 湘潭：湘潭大學(xué)，2020.

Chen Zhineng. Research on the Heat Dissipation Performance of Graphene/paraffin Phase Change Materials for Photovoltaic Panels[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2020. (in Chinese with English abstract)

[27] Amr A A-r, Hassan A A M, Abdel-Salam M, et al. Enhancement of photovoltaic system performance via passive cooling: Theory versus experiment[J]. Renewable Energy, 2019, 140: 88-103

[28] Arifin Z, Tjahjana D D D P, Hadi S, et al. Numerical and experimental investigation of air cooling for photovoltaic panels using aluminum heat sinks[J]. International Journal of Photoenergy, 2020: 1574274.

[29] Huang M J, Eames P C, Hewitt N J. The application of a validated numerical model to predict the energy conservation potential of using phase change materials in the fabric of a building[J]. Solar Energy Materials&Solar Cells, 2006, 90(13): 1951-1960.

[30] 王立舒，李欣然，房俊龍，等. 非聚光光伏-熱電耦合系統(tǒng)表面換熱影響分析及模型驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(23)：200-208.

Wang Lishu, Li Xinran, Fang Junlong, et al. Analysis and model verification of surface heat transfer effects of non-concentrating photovoltaic-thermoelectric coupling system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(23): 200-208. (in Chinese with English abstract)

[31] 王立舒，白龍，房俊龍，等. 基于雙曲正切函數(shù)的光伏/溫差自適應(yīng) MPPT 控制策略研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(16)：184-191.

Wang Lishu, Bai Long, Fang Junlong, et al. Non-destructive detection of pork myoglobin content based on hyperspectral technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 184-191. (in Chinese with English abstract)

[32] 劉偉，張健，金宏達(dá)，等. 哈爾濱地區(qū)輻照度推算及NASA數(shù)據(jù)適用性分析[J]. 黑龍江電力，2019，41(2)：179-183.

Liu Wei, Zhang Jian, Jin Hongda, et al. Estimation of irradiance and applicability analysis of NASA data in Harbin[J]. Heilongjiang Electric Power. 2019, 41(2): 179-183. (in Chinese with English abstract)

Design and electrothermal performance analysis of PV-PCM-TE system

Wang Lishu1, Bai Long1,2, Fang Junlong1※, Li Xinran1

(1.,,150030,; 2.,,157011,)

The power generation efficiency of photovoltaic (PV) cells can be greatly reduced with the increase of working temperature. The PV-thermoelectric (PV-TE) technology can convert the excess heat in the PV power generation into the electric energy through the TE cells. As such, the temperature of PV cells can be reduced to realize the cascade utilization of solar energy. However, the temperature of PV-TE system can fluctuate with the change of irradiance, leading to a great influence on the solar energy utilization rate of the whole system. In this study, the phase change material (PCM) was introduced to design a PV-PCM-TE hybrid device system. The latent heat property of PCMs was utilized to improve the stability of the system under variable irradiance. The device test was carried out to evaluate the performance of PV-PCM-TE system in the Northeast Agricultural University, Xiangfang District, Harbin, China. The test date was set from October 1, 2020 to September 30, 2021, while the test time was 8 hours from 8:00 to 16:00 on the test day. The experimental results indicated that the maximum temperature of PV cells was 326.5 K during the period from 11:00 to 14:00, which was basically maintained at the phase change temperature of PCMs. Furthermore, there was only a few cooling effects on the performance of the PV cells, indicating the excellent latent heat characteristics of PCMs. Specifically, the maximum temperature difference of TE battery was 13.4 K during water cooling. By contrast, the maximum temperature difference of TE battery was 3.6 K during natural air cooling. The water cooling was effectively reduced the temperature of the cold end of the TE battery, in order to improve the temperature difference and power of the TE battery. When the direct contact, thermal conductive silicone grease 1 (2.0 W/(m·K)), and thermal conductive silicone grease 2 (5.15 W/(m·K)) were selected between the contact surfaces of the device, the maximum temperature difference of TE cells were 5.4, 11.2, and 13.4K, respectively, the average efficiencies of PV cells were 18.10%, 18.3%, and 18.38%, respectively, and the average total efficiencies of the system were 19.6%, 19.95%, and 20.18%, respectively. The best system performance was achieved in the thermal conductive silicone grease 2 with the higher thermal conductivity. Compared with the PV-TE system, the electrical efficiency and power of PV-PCM-TE system increased by 1.05% and 16.21%, respectively, during the instantaneous test period. Therefore, the optimal cooling mode was the water cooling with the cooling water flow rate of 6L/min during the whole year. The maximum performance indexes of PV-PCM-TE system was observed in summer, particularly with the strongest irradiance. The maximum electrical, thermal, and exergy efficiencies were 22.28%, 32.55%, and 27.32%, respectively. The PV-TE hybrid power generation device combined with PCMs can be expected for the excellent adaptability in the most areas and climatic conditions. At the same time, the output considerable heat and electric energy were obtained to supply the power for the environmental monitoring and lighting system of modern greenhouse, particularly for the part of the heat energy for the plant growth.

photovoltaic; temperature difference; hybrid power generation; irradiance; phase change material; thermal contact resistance

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.020

TK514；TM615；TM617

A

1002-6819(2022)-20-0171-09

王立舒，白龍，房俊龍，等. PV-PCM-TE系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電熱性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(20)：171-179.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.020 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Bai Long, Fang Junlong, et al. Design and electrothermal performance analysis of PV-PCM-TE system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 171-179. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.020 http://www.tcsae.org

2022-08-26

2022-10-06

黑龍江省教育廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持項(xiàng)目（1452MSYYB009）；牡丹江師范學(xué)院青年學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目（GG2018004）

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

房俊龍，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化；電力新能源開(kāi)發(fā)與利用。Email：junlongfang@126.com