光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器的性能研究

宋 釗， 楊家志， 孫 誠

（桂林理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西桂林541000）

0 引 言

傳統(tǒng)化石燃料是目前最經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的發(fā)電能源，同時也造成了嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題［1］。光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電技術(shù)作為一種清潔、可再生的能源技術(shù)，成為各國研究人員的關(guān)注焦點(diǎn)［2］。有研究人員闡述了熱電聯(lián)產(chǎn)PV/T系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀并做了對比分析，提出了系統(tǒng)效率的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試方法［3］。為提高太陽能電池的效率，有人提出對于聚光倍數(shù)小于1 000時，太陽能電池的散熱方式可以選擇空冷或者熱管冷卻，對每一種散熱方式給出了詳細(xì)論述［4］。2015年，國外研究人員設(shè)計(jì)了一種U型太陽能PV/T系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合仿真，對散熱器的水流量進(jìn)行了分析并得出最佳值［5］。隨后有研究將PV/T系統(tǒng)砷化鎵電池表面的能流分布進(jìn)行優(yōu)化分析和數(shù)值模擬，結(jié)果電池表面溫度分布更加均勻［6］。文獻(xiàn)［7］中設(shè)計(jì)了同時獲得電能和熱能的光伏光熱系統(tǒng)，但只采用了光伏電池進(jìn)行發(fā)電，結(jié)果發(fā)電效率較低。黨舒?。?］提出基于熱開關(guān)的光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電裝置來提高發(fā)電效率。Shittu等［9］對平板微通道熱管光伏熱電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與純光伏系統(tǒng)相比，混合系統(tǒng)具有更好的性能，微通道熱管后面沒有絕緣層提高了混合系統(tǒng)的電氣性能。

光伏與溫差聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的相關(guān)研究已經(jīng)很多，因溫差電池本身的發(fā)電效率并不高，很多研究為提高發(fā)電效率往往只注重散熱裝置的散熱效果而不考慮散熱裝置本身的能耗，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。本文提出將光伏電池與多個溫差電池進(jìn)行集成封裝，形成一個一體化的復(fù)合發(fā)電器，依靠各級溫差電池自身的熱量傳遞達(dá)到給光伏電池散熱以及進(jìn)一步增加整體發(fā)電性能的雙重目的，該光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器可以實(shí)現(xiàn)對太陽輻射能的充分利用。

1 結(jié)構(gòu)與原理

本文設(shè)計(jì)的光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器如圖1所示，主要由光伏發(fā)電與溫差發(fā)電兩大部分組成。復(fù)合發(fā)電器具體由透明蓋板、光伏電池、Al2O3陶瓷、P型半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體5種元器件組成，其最上方是由超薄低鐵鋼化玻璃材料制成的透明蓋板，光伏電池緊密貼合在透明蓋板和Al2O3陶瓷之間，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體通過導(dǎo)電材料首尾相接串聯(lián)后呈“S”型迂回排列在Al2O3陶瓷的下方組成溫差發(fā)電層，溫差發(fā)電層下方根據(jù)需求數(shù)量逐層放置Al2O3陶瓷和溫差發(fā)電層，最后一層以Al2O3陶瓷為底板進(jìn)行封裝。

圖1 光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)陽光透過透明蓋板照射在光伏電池表面時，光伏電池吸收陽光發(fā)生光生伏特效應(yīng)［10］。如圖2所示，當(dāng)PN結(jié)吸收光子后產(chǎn)生電子-空穴對并從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下形成一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢，外接負(fù)載之后則會產(chǎn)生電流。

圖2 光伏發(fā)電原理圖

太陽光在光伏電池表面產(chǎn)生的熱能向下傳導(dǎo)至每一級的溫差發(fā)電氣層［11］，如此形成一個溫度梯度。每一級溫差發(fā)電層的上下表面根據(jù)所處溫度梯度形成溫差發(fā)生塞貝克效應(yīng)。如圖3所示，PN結(jié)熱端由于高溫?zé)峒ぐl(fā)產(chǎn)生的空穴和電子濃度大于低溫端，使空穴和電子擴(kuò)散到低溫端形成電勢差［12］。多級溫差發(fā)電器的各級相互獨(dú)立，若某一級溫差不足或出現(xiàn)故障，不影響其他溫差發(fā)電層發(fā)電。

圖3 溫差發(fā)電原理圖

2 仿真與分析

溫差發(fā)電是該發(fā)電器的關(guān)鍵部分［13］，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的可行性使用ANSYS對溫差發(fā)電部分進(jìn)行熱電耦合場的仿真研究。

2.1 有限元模型

本仿真模擬的幾何模型所需的基本器件種類和尺寸見表1。根據(jù)上述尺寸采用自頂向下的建模方式分別建立單級、兩級、三級溫差發(fā)電器的幾何模型。

表1 元件尺寸表 mm

由于半導(dǎo)體材料的熱電性能參數(shù)會隨溫度的變化產(chǎn)生不同程度的變化，模擬時直接采用文獻(xiàn)［14］中所報(bào)道的Bi2Te3測試數(shù)據(jù)，具體數(shù)值如圖4所示。除此之外，Cu導(dǎo)流片和Al2O3陶瓷參數(shù)隨溫度變化對仿真結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)［15］，將Cu導(dǎo)流片的導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率設(shè)定為386.4 W/（m·K）和18 nΩ·m，Al2O3陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為29.3 W/（m·K）。

圖4 Bi2Te3的熱電性能參數(shù)隨溫度變化情況

進(jìn)行仿真時模擬環(huán)境溫度為300 K，熱源溫度為450 K。假設(shè)溫差發(fā)電器冷端為空氣自然對流，則設(shè)置其表面的對流換熱系數(shù)為20 W/（m2·K）［16］，內(nèi)部的對流換熱系數(shù)為5 W/（m2·K）。邊界條件設(shè)置各級溫差發(fā)電器的負(fù)極電勢為0。隨后設(shè)定分析類型為穩(wěn)態(tài)分析，進(jìn)入計(jì)算求解即可。

2.2 結(jié)果分析

計(jì)算求解完成后，進(jìn)入通用后處理器分析處理仿真后的結(jié)果。圖5所示為按節(jié)點(diǎn)繪制的3種溫差發(fā)電器的溫度和電勢分布云圖。

圖5 3組溫差發(fā)電模型的溫度和電勢分布云圖

3種溫差發(fā)電器的頂端溫度分別為404.63、380.92和332.25 K。易見，單級溫差發(fā)電器的頂端溫度最高，3級溫差發(fā)電器的頂端溫度最低且接近環(huán)境溫度，3種溫差發(fā)電器的頂端溫度呈現(xiàn)隨級數(shù)增加而降低的趨勢。除此之外，3級溫差發(fā)電器各級的溫度差均高于2級和單級溫差發(fā)電器對應(yīng)各級的溫度差。造成種現(xiàn)象的主要原因是溫差發(fā)電器散熱條件較差，多級溫差發(fā)電器的上一級熱端能將下一級的冷端熱量向上逐級傳遞，使下一級的冷端溫度比自然空氣散熱條件下的溫度低，上一級溫差發(fā)電器充當(dāng)了下一級的散熱器。說明在空氣自然對流散熱條件下，多級溫差發(fā)電器具有更好的散熱效果，可以獲得更大的溫度差。

溫差發(fā)電器的開路電壓與溫差、塞貝克相對系數(shù)系數(shù)有直接關(guān)系。觀察3組溫差發(fā)電器的電勢分布云圖可知，2級溫差發(fā)電器第1級和3級溫差發(fā)電器第1級的開路電壓比單級溫差發(fā)電器分別高出35.56%和52.22%，這主要是由上述3組溫差發(fā)電器的溫差造成的。當(dāng)溫度在300～425 K范圍內(nèi)時，雖然塞貝克系數(shù)隨溫度升高而增大，但其與溫差的變化數(shù)值不是一個數(shù)量級，導(dǎo)致單級溫差發(fā)電器具有較大的相對塞貝克系數(shù)和較小的開路電壓?？梢?，溫差發(fā)電器的開路電壓主要由溫差的大小決定。

給3組溫差發(fā)電器施加負(fù)載后，單級溫差發(fā)電器的最大輸出功率為27.47 mW，2級和3級溫差發(fā)電器第1級的最大功率分別是56.7 mW和73.8 mW，這得益于它們較大的溫差和開路電壓。多級溫差發(fā)電器第2級、第3級的功率為19.4 mW和3.07 mW，其第2級的最大功率為單級溫差發(fā)電器的70.46%。將2級和3級溫差發(fā)電器各級功率分別相加后得到的總功率是單級溫差發(fā)電器的1.4倍和3.5倍?？梢?，多級溫差發(fā)電器不僅第1級最大功率高于單級溫差發(fā)電器，總功率也遠(yuǎn)大于單級溫差發(fā)電器的最大功率。說明多級溫差發(fā)電器的各級具有較為明顯的增益作用。

經(jīng)計(jì)算可知，單級溫差發(fā)電器的發(fā)電效率為5.06%，2級溫差發(fā)電器各級的發(fā)電效率為7.07%和3.12%，3級溫差發(fā)電器各級的發(fā)電效率為7.11%、4.49%、1.94%?？梢姡?級溫差發(fā)電器各級的發(fā)電效率均高于單級和2級溫差發(fā)電器的各級，并且多級溫差發(fā)電器各級的效率隨級數(shù)變大而逐漸降低。

綜上，源于多級溫差發(fā)電器各級較好的熱傳導(dǎo)作用，在沒有散熱裝置的情況下使多級溫差發(fā)電器的第1級相對于單級溫差發(fā)器產(chǎn)生了更大的溫差，其他各級也均具有一定的溫差。因而導(dǎo)致多級溫差發(fā)電器第1級具有了更好的發(fā)電性能，其他各級對多級溫差發(fā)電器整體產(chǎn)生了增益效果，使多級溫差發(fā)電器整體具備了理想的發(fā)電效果。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

經(jīng)過仿真，結(jié)合實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境特點(diǎn)，確定最終實(shí)驗(yàn)所用的復(fù)合模塊由三結(jié)砷化鎵光伏電池和3級溫差發(fā)電器構(gòu)成，采用聚光器和太陽能追蹤裝置進(jìn)行太陽輻射的采集。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所需裝置主要由聚光器、太陽光跟蹤裝置、輸出性能測試儀器等組成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)選用旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器，聚光器直徑為160 mm，高度為30 mm，焦距為53.3 mm，拋物線方程為x2=213y。使用TracePro軟件對旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器和接收器進(jìn)行光線軌跡追蹤，分析光斑和接收器表面積的大小關(guān)系，最終確定接收器與聚光器的最佳安裝距離為51.3 mm。實(shí)驗(yàn)使用Arduino UNO開發(fā)板制作太陽光跟蹤裝置的控制器，采用光敏電阻矩陣進(jìn)行感光，驅(qū)動方位角和俯仰角電機(jī)調(diào)節(jié)聚光器角度。使用太陽能功率計(jì)、熱電偶測溫儀、電流表、電壓表、滑動變阻器等儀器檢測電能輸出特性。

實(shí)驗(yàn)平臺選擇搭建在某地行政中心廣場（N34°21′60″，E107°14′1″）。實(shí)驗(yàn)當(dāng)日天氣晴朗、萬里無云，實(shí)驗(yàn)平臺附近場地空曠，周邊沒有遮擋的建筑物、樹木等。實(shí)驗(yàn)日期定于2020年7月19日，實(shí)驗(yàn)從上午08：00持續(xù)至19：00結(jié)束，每間隔1 h觀察記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 環(huán)境參數(shù)

太陽輻射強(qiáng)度H和環(huán)境溫度T的變化趨勢如圖6所示。環(huán)境溫度從開始到結(jié)束呈現(xiàn)出先上升再下降的變化趨勢，其中08：00環(huán)境溫度最低，13：00溫度最高，環(huán)境溫度溫度在299.45～303.95 K之間變化。在08：00～12：00期間太陽輻射強(qiáng)度從862 W/m2增大至1 343 W/m2，12：00之后開始逐漸較小至816 W/m2結(jié)束。這主要是因?yàn)樘柛叨冉堑淖兓?/p>

圖6 環(huán)境參數(shù)變化圖

3.2.2 主要溫度參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)中由于復(fù)合發(fā)電模塊光伏電池與溫差發(fā)電器之間、各級溫差發(fā)電器之間連接緊密，所以相鄰的兩個面溫度幾乎相同。本文曲線圖分別用T1、T2、T3、T4表示光伏電池與多級溫差發(fā)電器第1級之間、多級溫差發(fā)電器各級之間、多級溫差發(fā)電器第三級冷端的溫度。如圖7所示，實(shí)驗(yàn)開始時，環(huán)境溫度相對較低、太陽輻射強(qiáng)度較弱，復(fù)合發(fā)電模塊頂端溫度T4與環(huán)境溫度接近。12：00～13：00，太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到一天之中最強(qiáng)，復(fù)合發(fā)電模塊頂端溫度T4為314.65 K。除此之外，復(fù)合發(fā)電模塊各級間的溫度也都呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，這是由1天之中太陽輻射強(qiáng)度變化規(guī)律所致。每條折線的間距變化代表各級溫差發(fā)電器的溫差變化，也呈現(xiàn)先增后減的趨勢；縱向觀察每條曲線的間距可知各級溫差發(fā)電器同一時刻各級的溫差呈現(xiàn)遞減趨勢。

圖7 各級復(fù)合發(fā)電模塊的溫度變化圖

3.2.3 開路電壓

光伏電池和各級溫差發(fā)電器的開路電壓UPV的變化情況如圖8所示。光伏電池的開路電壓值上午呈現(xiàn)緩慢減小，中午時降至最低，下午緩慢增加后趨于平穩(wěn)，其整體隨時間呈現(xiàn)出先降低后增大的變化趨勢。這種現(xiàn)象主要是因?yàn)橐惶熘刑栞椛鋸?qiáng)度隨時間先變大后減小，經(jīng)聚光器的匯聚作用后，使光伏電池表面溫度較高并呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，光伏電池的開路電壓與其表面溫度呈負(fù)相關(guān)性。各級溫差發(fā)電器的開路電壓UTE隨時間變化先增大后減小，這與各級溫差電池的溫度差變化規(guī)律一致，符合塞貝克效應(yīng)理論。

圖8 復(fù)合發(fā)電模塊各級的開路電壓變化圖

3.2.4 輸出功率

圖9所示為光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電模塊的輸出功率P隨時間變化的曲線圖。光伏電池的輸出功率PPV變化與太陽輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致，08：00～10：00和16：00～19：00太陽輻射強(qiáng)度較弱，光伏電池輸出功率較?。徽鐣r分太陽輻射強(qiáng)度最強(qiáng)，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大。由于光伏電池接受面積較小，輸出功率也相對較小。光伏電池的輸出功率最大值為1.02 W，最小值為0.48 W，平均值為0.74 W。溫差發(fā)電本身的發(fā)電效率較低，所以溫差發(fā)電器的輸出功率相對較小。溫差發(fā)電器的輸出功率變化與溫度差變化基本一致，溫差越大，輸出功率越大。若將光伏電池與各級溫差發(fā)電器的輸出功率直接相加可以得到光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電模塊的總輸出功率，由于溫差發(fā)電器的輸出功率所占比重較小，所以復(fù)合發(fā)電模塊的總體輸出功率與光伏電池輸出功率的變化趨勢基本相同。不同時刻，光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電模塊的輸出功率相對單一光伏電池提高了大約5%～16%不等。

圖9 復(fù)合發(fā)電模塊各級和整體的功率變化圖

3.2.5 發(fā)電效率

發(fā)電效率是衡量發(fā)電性能的一個重要指標(biāo)。如圖10所示，光伏電池的發(fā)電效率ηPV在14%～19%之間，最大發(fā)電效率為18.9%。與光伏電池相比較，溫差發(fā)電器的發(fā)電效率ηTE較低，不超過9%。光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電模塊的發(fā)電效率ηPV-TE比單一光伏電池高出2%～3%，其最大效率為21.6%。這主要是因?yàn)槿Y(jié)砷化鎵光伏電池發(fā)電性能相對普通硅電池較好，并且溫差電池本身發(fā)電效率較低，導(dǎo)致溫差電池的發(fā)電功率占總發(fā)電功率比重較小。

圖10 復(fù)合發(fā)電模塊各級和整體的發(fā)電效率變化圖

3.3 實(shí)驗(yàn)與仿真對比分析

由于13：00實(shí)驗(yàn)測出溫差發(fā)電器第1級的熱端溫度與仿真接近，將這一時刻的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。實(shí)驗(yàn)和仿真第1級的溫度梯度幾乎相同，除功率外的其他各項(xiàng)性能參數(shù)相差不大。實(shí)驗(yàn)中溫差發(fā)電器第2級的溫度梯度遠(yuǎn)大于仿真，溫差比仿真高出32.72%，開路電壓卻僅比仿真高出4.55%，但功率又比仿真高出85.57%。由此說明實(shí)驗(yàn)所用的溫差發(fā)電器的實(shí)際內(nèi)阻遠(yuǎn)小于仿真中的內(nèi)阻。溫差發(fā)電器第3級的各項(xiàng)數(shù)據(jù)對比結(jié)果與第2級相似。造成這種現(xiàn)象的主要原因是仿真所用的各項(xiàng)熱電性能參數(shù)來自文獻(xiàn)報(bào)道，與實(shí)驗(yàn)所用溫差發(fā)電器的實(shí)際電性能參數(shù)有所不同。仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然有較大出入，但兩者從第1級至第3級的各項(xiàng)熱電性能變化趨勢完全相同。說明實(shí)驗(yàn)中復(fù)合發(fā)電模塊的溫差發(fā)電部分所用的多級溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)具有可行性，并取得了較好的發(fā)電效果。

4 結(jié) 語

本文提出一種太陽能光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)，并對該模塊局部和整體分別進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。最終得出的主要結(jié)論如下：

（1）經(jīng)使用ANSYS軟件仿真后可知，多級溫差發(fā)電器的各項(xiàng)熱電輸出特性均比單級溫差發(fā)電器好，其中3級溫差發(fā)電器的發(fā)電效率最理想。說明散熱條件有限的情況下，多級溫差發(fā)電器的發(fā)電效果更佳。

（2）通過實(shí)驗(yàn)測試可知，光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器輸出功率和發(fā)電效率均優(yōu)于單一光伏發(fā)電，光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器的最大發(fā)電效率達(dá)到21.6%。驗(yàn)證了光伏與多級溫差復(fù)合發(fā)電器的可行性，實(shí)現(xiàn)了對太陽能全光譜的梯級利用。同時說明復(fù)合發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)對光伏發(fā)電具有一定的提升效果，具有重要的研究價(jià)值。