基于熱電模塊的聚光光伏自冷卻概念設(shè)計(jì)

吳章林，高風(fēng)勝，冉幕鴻，謝 果，江卓成

（四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

太陽(yáng)能以其資源豐富、可再生、清潔等優(yōu)勢(shì)受到各領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其中，光伏發(fā)電是最具潛力的太陽(yáng)能利用手段之一，應(yīng)用前景廣闊。聚光光伏技術(shù)采用低成本的聚光器進(jìn)行聚光，將光伏電池表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度提高上千倍[1]，可在增強(qiáng)光電轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，縮減光伏電池體積并節(jié)約發(fā)電成本。目前，聚光光伏系統(tǒng)中多結(jié)III-V砷化鎵光伏電池效率最高可達(dá)47%[2]。然而，在發(fā)電過(guò)程中，依然有50%以上的太陽(yáng)能沒(méi)有轉(zhuǎn)換為電能，而是以熱能的形式積聚在電池中，使電池溫度大幅升高、輸出電能顯著降低[3]。研究表明，聚光比為200時(shí)，三結(jié)砷化鎵電池溫度每上升1℃，其光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降0.098%[4]，且光伏電池處于高溫下易發(fā)生故障或燒毀[5]。因此，對(duì)聚光光伏電池進(jìn)行冷卻是保障其高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵措施。

聚光光伏電池的常規(guī)冷卻方法可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式[6]。被動(dòng)冷卻技術(shù)通過(guò)介質(zhì)的自然對(duì)流帶走電池?zé)崃?，一般采用空氣作為冷卻介質(zhì)，且需在光伏電池背面加裝散熱器[7]。然而被動(dòng)冷卻技術(shù)受環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素影響較大，冷卻效果有限[8]。相比之下，主動(dòng)冷卻技術(shù)通過(guò)介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流帶走電池?zé)崃?，散熱量大且更穩(wěn)定，更適用于高聚光比的光伏系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，在1090倍聚光條件下，強(qiáng)制水冷可將電池溫度穩(wěn)定在90℃以下[9]。此外，主動(dòng)冷卻還可用于回收光伏電池廢熱，并以熱水、熱空氣或光熱化學(xué)反應(yīng)的形式加以利用，能顯著提升光伏系統(tǒng)整體效率[10]。但主動(dòng)冷卻技術(shù)依賴外部電源、可靠性差，冷卻過(guò)程需耗電、間接降低光伏系統(tǒng)的有效電力輸出。

針對(duì)聚光光伏的冷卻散熱，本文提出了一種全新的自冷卻概念設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)熱電模塊實(shí)現(xiàn)，具有無(wú)需外部供電即可自發(fā)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)冷卻的特點(diǎn)，且冷卻功率能依據(jù)光伏電池溫度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。為了探究此概念的可行性，本文搭建了一套測(cè)試熱電模塊性能的水熱循環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)10kW聚光光伏系統(tǒng)的聚光和散熱部件進(jìn)行了參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。研究結(jié)果可為聚光光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 自冷卻聚光光伏系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

參照已投入運(yùn)營(yíng)的高倍聚光光伏電站[11]，擬設(shè)計(jì)10kW的自冷卻聚光光伏概念系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)采用雙軸跟蹤，包含48個(gè)光伏組件，呈6行8列排布，每個(gè)組件包含16個(gè)光伏單元，采用4×4的方式陣列。每個(gè)單元由聚光鏡、光伏電池、導(dǎo)熱板、熱電模塊、散熱片和風(fēng)扇組成，各部件從上往下依次排布。聚光器采用菲涅爾透鏡，聚光比為500。光伏電池采用三結(jié)砷化鎵，尺寸為10 mm×10mm，理 論 效 率 為30%（AM1.5D，25℃），吸收比為0.95。

圖1 自冷卻聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)概念圖Fig.1 Conceptual diagram of self-cooling concentrated photovoltaic power generation system

光伏系統(tǒng)工作時(shí)，太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整角度，使太陽(yáng)光垂直射入菲涅爾透鏡。透鏡通過(guò)折射將光線匯聚到砷化鎵電池表面。大約30%的太陽(yáng)輻射被砷化鎵電池直接轉(zhuǎn)換為電能，其余輻射會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，使電池溫度升高。在溫差的作用下，電池?zé)崃客ㄟ^(guò)導(dǎo)熱板傳遞到熱電模塊，一部分熱量會(huì)被熱電模塊直接轉(zhuǎn)換為電能，再向風(fēng)扇供電，其余熱量則將通過(guò)最下部的散熱片耗散到環(huán)境中。散熱片底部的風(fēng)扇由熱電模塊供電，驅(qū)動(dòng)氣流掠過(guò)散熱片表面，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流冷卻。這種冷卻方式無(wú)需借助外部電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可避免常規(guī)主動(dòng)冷卻在外部供電失效時(shí)會(huì)造成電池?zé)龤У膯?wèn)題，可靠性高。該設(shè)計(jì)也解決了常規(guī)光伏-熱電耦合系統(tǒng)輸出電壓不匹配，且無(wú)法兼顧光伏與熱電高效運(yùn)行的問(wèn)題。

2 熱電模塊性能測(cè)試

為了準(zhǔn)確掌握熱電模塊的工作規(guī)律，以指導(dǎo)后續(xù)的自冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)，本文搭建了熱電模塊性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探究了不同加熱條件時(shí)熱電模塊的電力輸出性能。本實(shí)驗(yàn)中采用恒溫水浴作為穩(wěn)態(tài)熱源。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

熱電模塊性能測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 熱電模塊性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Experimental system for testing the performance of thermoelectric module

系統(tǒng)主要由熱電裝置、電子負(fù)載、測(cè)量?jī)x器、加熱和冷卻回路組成。熱電裝置由熱電模塊、冷端和熱端換熱水箱封裝集成。熱電模塊分為2組，分別夾在熱水箱與兩個(gè)冷水箱之間，每組8片依次串聯(lián)，2組之間并聯(lián)。單個(gè)熱電模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 熱電模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structurcal diagram of thermoelectric module

尺寸為56mm×56mm，厚度為3.4mm，包含256對(duì)P-N型熱電臂。熱電臂通過(guò)銅電極依次串聯(lián)，再整體嵌入到兩塊平行陶瓷板之間。熱電模塊物性參數(shù)詳見表1。表中T為絕對(duì)溫度，K。

表1 熱電模塊物性參數(shù)Table1 The properties of thermoelectric module

電子負(fù)載集成有多個(gè)功能模塊，其中負(fù)載模塊用于模擬變阻器，可調(diào)節(jié)不同的負(fù)載電阻值；測(cè)量模塊用于測(cè)量輸出電壓、電流以及功率；加熱回路包括恒溫水浴箱、水泵、調(diào)節(jié)閥和管道等，冷卻回路包括水冷機(jī)、預(yù)冷箱、水泵、調(diào)節(jié)閥和管道等。冷、熱水溫度分別通過(guò)水冷機(jī)、恒溫水浴箱進(jìn)行調(diào)控并維持，流量通過(guò)水泵和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 測(cè)量設(shè)備

熱電裝置的冷水及熱水進(jìn)、出口處各安裝一只熱電阻，分別測(cè)量進(jìn)、出口水溫，型號(hào)為PT100，A級(jí)精度，經(jīng)標(biāo)定后誤差為±0.1℃。熱水流量采用渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，精度為±1.0%；冷水流量采用電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，精度為±0.5%。所有溫度及流量信號(hào)均由一臺(tái)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，采樣間隔為4s。電子負(fù)載型號(hào)為IT8811，其測(cè)量模塊可對(duì)熱電裝置輸出的電壓、電流進(jìn)行測(cè)量，精 度 分 別 為±（0.05%+0.03）V和±（0.05%+0.015）A。同時(shí)，所有電參數(shù)均由電子負(fù)載的記錄模塊進(jìn)行儲(chǔ)存，采樣間隔為1s。根據(jù)Kline[12]方法對(duì)間接測(cè)量值的不確定度進(jìn)行評(píng)估，輸出功率的平均誤差為2.7%，熱流量的平均誤差為5.1%，熱電轉(zhuǎn)換效率的平均誤差為5.6%。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，熱水進(jìn)口溫度分別設(shè)為50，60，70，80，90℃，冷水進(jìn)口溫度保持為20℃。熱水流量為0.2m3/h；冷水流量為0.3m3/h。外部負(fù)載的阻值調(diào)節(jié)數(shù)值為2～40Ω。性能測(cè)試結(jié)果將用于指導(dǎo)熱電自冷卻應(yīng)用的參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1 熱電模塊輸出特性

圖4為電路斷開時(shí)熱電裝置的開路電壓Uo。

圖4 不同加熱溫度時(shí)熱電裝置的開路電壓Fig.4 Open-circuit voltage of thermoelectric device at different heating temperatures

當(dāng)加熱溫度TH從50℃增大到90℃時(shí)，開路電壓從12V提高到28V。這是因?yàn)闊犭姴牧系臒岫藴囟入S加熱溫度升高而升高，從而在其熱端激發(fā)出更多的空穴或電子，增大冷熱端之間的載流子濃度差，形成更大的電動(dòng)勢(shì)，即開路電壓。此外，隨著熱電裝置兩端溫差的增加，其開路電壓呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，加熱溫度每升高10℃，開路電壓提高約4V。當(dāng)加熱溫度為90℃時(shí)，熱電裝置的開路電壓約28V，此時(shí)單個(gè)熱電模塊的開路電壓約為3.5V。

圖5為不同加熱溫度時(shí)負(fù)載RL對(duì)熱電裝置輸出功率PT的影響。

圖5 不同加熱溫度時(shí)熱電裝置輸出功率隨負(fù)載的變化Fig.5 Variation of output power of thermoelectric device with load resistance at different heating temperatures

隨著外部負(fù)載的增大，輸出功率先增大后減小，在匹配負(fù)載處取得峰值。當(dāng)加熱溫度為90℃時(shí)，熱電裝置的最大輸出功率為15.5W，單個(gè)熱電模塊對(duì)應(yīng)最大輸出功率為0.97W，對(duì)應(yīng)匹配負(fù)載為14Ω。另外，匹配負(fù)載取決于熱電裝置的內(nèi)阻與溫度，加熱溫度升高時(shí)，由于熱電材料的物性參數(shù)具有溫度依賴性，其電阻率會(huì)增大，導(dǎo)致匹配負(fù)載增大，從而功率峰值點(diǎn)會(huì)向右移動(dòng)。

圖6為不同加熱溫度下負(fù)載對(duì)熱電裝置轉(zhuǎn)換效率 ηT的影響，效率的計(jì)算參考文獻(xiàn)[13]。

圖6 不同加熱溫度時(shí)熱電裝置轉(zhuǎn)換效率隨負(fù)載的變化Fig.6 Variation of conversion efficiency of thermoelectric device with load resistance at different heating temperatures

由圖6可知，隨著負(fù)載增大，轉(zhuǎn)換效率的變化趨勢(shì)與輸出功率的變化趨勢(shì)一致，同為先增大后減小。當(dāng)加熱溫度為90℃時(shí)，負(fù)載從2Ω增大到12Ω，熱電轉(zhuǎn)換效率從0.49%迅速增長(zhǎng)至1.18%，隨后負(fù)載繼續(xù)增大至40Ω，熱電轉(zhuǎn)換效率緩慢降低到0.93%。

圖7給出了不同加熱溫度下熱電裝置的最大輸 出 功 率PT，max和 最 大 轉(zhuǎn) 換 效 率 ηT，max。在 冷 端 溫 度保持不變的條件下，熱端溫度升高會(huì)增大熱電裝置兩端的溫差，使得熱電模塊兩端的載流子濃度差變大，從而提升熱電裝置的最大輸出功率與熱電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)加熱溫度為90℃時(shí)，熱電裝置最大輸出功率可達(dá)15.5W；最大轉(zhuǎn)換效率可達(dá)1.18%。

圖7 不同加熱溫度時(shí)熱電裝置的最大輸出功率與轉(zhuǎn)換效率Fig.7 Maximum output power and conversion efficiency of thermoelectric device at different heating temperatures

3.2 熱電模塊熱流特性

圖8對(duì)比了電路斷開與閉合時(shí)熱電裝置的熱流量QH，熱流量的計(jì)算參考文獻(xiàn)[13]。

圖8 不同加熱溫度下熱電裝置的開路與閉路熱流量Fig.8 Open-circuit and closed-circuit heat flow of thermoelectric device at different heating temperatures

由圖8可知，50℃加熱時(shí)電路從斷開到閉合過(guò)程中，熱流量由517W增長(zhǎng)至572W，增大了55W（約11%）。這是因?yàn)?，與開路時(shí)僅存在導(dǎo)熱的情況相比，電路閉合后產(chǎn)生的電流會(huì)激發(fā)帕爾貼效應(yīng)，產(chǎn)生除導(dǎo)熱以外的熱量傳遞，從而使總熱流 量 增 大。當(dāng) 加 熱 溫 度 為60，70，80，90℃時(shí)，與 開路時(shí)相比，閉路后熱流量分別提升91，113，148，157W。這表明從電路斷開到閉合過(guò)程中，熱源溫度越高，裝置的熱流量變化愈顯著。本測(cè)試中熱流提升的幅度為10%～15%。

圖9為單個(gè)熱電模塊的開路電壓Uo，TEM與熱流量QTEM之間的關(guān)系。

圖9 單個(gè)熱電模塊開路電壓與熱流量的關(guān)系Fig.9 Relationship between open circuit voltage and heat flux of single thermoelectric module

由圖9可以看出，單個(gè)熱電模塊的開路電壓隨著熱流量的增加而增加。擬合值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在-0.07～0.13V。該公式可用于后續(xù)自冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)中熱電模塊發(fā)電性能的評(píng)估。

4 針對(duì)10 kW系統(tǒng)的自冷卻參數(shù)計(jì)算

10kW聚光光伏系統(tǒng)包含48個(gè)光伏組件，每個(gè)組件又包含16個(gè)光伏單元，每個(gè)單元均采用菲涅爾透鏡聚光，聚光比為500。光伏電池為三結(jié)砷化鎵，尺寸為10mm×10mm，吸收比為0.95。綜合以上數(shù)據(jù)并結(jié)合熱電模塊的性能測(cè)試結(jié)果，本文對(duì)系統(tǒng)的自冷卻參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于以下假設(shè)簡(jiǎn)化計(jì)算。

①透過(guò)透鏡的太陽(yáng)輻射全部匯聚在光伏電池上；②忽略整個(gè)系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間的熱損失；③光伏電池的熱量均勻地傳遞到下方的熱電模塊；④系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，光伏電池處于閉路狀態(tài)且效率為25%[11]，熱電模塊與散熱風(fēng)扇串聯(lián)。

基于以上假設(shè)，光伏電池接收的輻射量即為通過(guò)熱電模塊的熱流量，其表達(dá)式為

式中：ηP為光伏電池效率；C為聚光比；G為太陽(yáng)輻 照 強(qiáng) 度，W/m2；Ap為 光 伏 電 池 面 積，m2；αp為 光伏電池吸收比，取0.95。

在已知熱電模塊熱流量的條件下，可計(jì)算單個(gè)熱電模塊的開路電壓為

熱電模塊需通過(guò)串并聯(lián)組合的方式提升開路電壓與輸出功率，但過(guò)多的模塊串聯(lián)會(huì)增大內(nèi)阻，可能導(dǎo)致總輸出功率降低。因此，本文針對(duì)10kW系統(tǒng)熱電模塊的連接方式設(shè)計(jì)如下：按照6行8列進(jìn)行排布，每一行的8個(gè)組件依次串聯(lián)，6行相互并聯(lián)；每個(gè)組件包含16個(gè)熱電模塊并依次串聯(lián)。根據(jù)電路的串并聯(lián)原理，整個(gè)熱電模塊網(wǎng)絡(luò)的總開路電壓為

整個(gè)系統(tǒng)的熱電模塊總內(nèi)阻R為

式中：r0為單個(gè)熱電模塊的內(nèi)阻，取值為1.5Ω。

自冷卻系統(tǒng)中的熱電模塊需要向風(fēng)扇供電，當(dāng)風(fēng)扇與熱電模塊的阻值相等時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可提供最大輸出功率Pout為

10kW聚光光伏系統(tǒng)的菲涅爾透鏡有效聚光面 積Af為

式中：M為光伏組件數(shù)；N為單個(gè)組件中的光伏單元數(shù)。

表2為10kW聚光光伏系統(tǒng)的自冷卻參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果。

表2 10kW自冷卻聚光光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)Table2 Design parameters of10kW self-cooling CPV system

整個(gè)系統(tǒng)所需的菲涅爾聚光總面積為38.4 m2。通過(guò)合理的串并聯(lián)，整個(gè)系統(tǒng)熱電模塊的總內(nèi)阻為32Ω。根據(jù)熱電模塊的工作特性，不同輻照條件下，系統(tǒng)熱電模塊輸出參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 10kW自冷卻聚光光伏系統(tǒng)的熱電模塊輸出參數(shù)Table3 Output parameters of thermoelectric modules in 10kW self-cooling CPV system

當(dāng)G=1000W/m2時(shí)，單個(gè)熱電模塊的開路電壓為1.7V，單個(gè)光伏組件的熱電模塊總開路電壓為26.6V，整個(gè)系統(tǒng)的熱電模塊總開路電壓為212.6V，能向風(fēng)扇提供的最大輸出功率可達(dá)706.5W，可滿足系統(tǒng)中光伏電池散熱元件的能耗需求。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到太陽(yáng)輻照會(huì)隨時(shí)間、季節(jié)和經(jīng)緯度發(fā)生變化，建議根據(jù)不同地區(qū)的月平均輻照強(qiáng)度，按照熱電模塊所能提供的功率對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行選型。例如，四川省西昌市 （102.25°E，27.75°N）7月 份 的 日 平 均 輻 照 為500～700W/m2，最高輻照約為1000W/m2，依據(jù)表3給出的熱電模塊自冷卻參數(shù)，可選擇單機(jī)功率在0.3～0.9W的風(fēng)扇。

5 結(jié)論

本文針對(duì)聚光光伏系統(tǒng)提出了一種熱電自冷卻概念設(shè)計(jì)，此后對(duì)熱電模塊性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)10kW聚光光伏系統(tǒng)的自冷卻參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，主要結(jié)論如下。

①熱電模塊的開路電壓隨加熱溫度升高而線性增加，輸出功率則隨加熱溫度升高呈現(xiàn)拋物線增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)熱源溫度從50℃提高至90℃，單個(gè)熱電模塊開路電壓從1.5V增加至3.5V，輸出功率從0.19W增加至0.97W。

②在光伏電池下方增設(shè)熱電模塊后，由于帕爾貼效應(yīng)的作用，冷卻單元散熱效果會(huì)更好。測(cè)試表明，熱源溫度為50～90℃時(shí)，熱電模塊的電路閉合后，其內(nèi)部熱流量會(huì)提升10%～15%。

③針對(duì)10kW聚光光伏系統(tǒng)進(jìn)行了自冷卻設(shè)計(jì)，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)輻照強(qiáng)度為1000W/m2時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的熱電模塊總開路電壓為212.6V，可為冷卻模塊提供的最大功率約706.5W，可滿足系統(tǒng)中光伏電池散熱元件的能耗需求。