一種聚光光伏及溫差發(fā)電一體化裝置的研制

徐慧婷， 胡 狀， 歷德義， 彭 豐， 陳東生

(上海電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

目前，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)[1]仍然存在制造費(fèi)用高、轉(zhuǎn)換效率低、應(yīng)用范圍受限且未得到廣泛應(yīng)用等問(wèn)題。利用聚光技術(shù)[2]將太陽(yáng)光匯聚到面積很小的太陽(yáng)能電池上，能大幅度地減少太陽(yáng)電池材料用量，從而降低了系統(tǒng)的成本。聚光條件下，太陽(yáng)能電池溫度會(huì)升高，影響太陽(yáng)能電池效率和壽命。溫差發(fā)電[3]恰好可以解決光伏電池發(fā)電時(shí)存在的問(wèn)題?；谝陨戏治?，本文設(shè)計(jì)了一種聚光光伏及溫差發(fā)電一體化裝置系統(tǒng)[6]，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，從而提高太陽(yáng)能利用率。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 聚光發(fā)電系統(tǒng)

聚光系統(tǒng)原理[8]如圖1所示。太陽(yáng)光照射在點(diǎn)聚焦式光學(xué)聚光器[9-10]上，經(jīng)匯聚后照射在太陽(yáng)能電池上，再進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換獲得電能，透鏡所在平面與太陽(yáng)能電池所在平面相平行，匯聚焦點(diǎn)為電池中心。

圖1 聚光系統(tǒng)原理圖

1.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)

將1個(gè)P型電偶和1個(gè)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(gè)溫差電偶[11]。在太陽(yáng)光熱效應(yīng)下，P型半導(dǎo)體材料高溫受光面空穴的熱運(yùn)動(dòng)高于低溫背光面，則空穴從高溫端向低溫端擴(kuò)散，形成電勢(shì)差。當(dāng)N型半導(dǎo)體材料高溫受光面電子的熱運(yùn)動(dòng)高于低溫背光面，則電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，形成電勢(shì)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(shí)，便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)且形成電流，此現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)[12]，也是溫差發(fā)電的理論基礎(chǔ)，其原理圖[13]如圖2所示。

圖2 溫差發(fā)電系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置硬件主要包括光電部分和溫差發(fā)電部分。光電部分由聚光器、太陽(yáng)能電池、光伏控制器[14]等部件組成;溫差發(fā)電部分由串聯(lián)的溫差發(fā)電片、散熱器[15]及冷卻裝置等部件組成。前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：水冷卻效果突出，成本低，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，故在該一體化系統(tǒng)中采用循環(huán)水冷卻方式[16]。

通過(guò)太陽(yáng)能電池組件[17]將太陽(yáng)輻射的光直接轉(zhuǎn)化為電能，輸出的直流電可以存入蓄電池當(dāng)中，考慮到聚光后的光線為圓形，因此選取直徑為114 mm的圓形太陽(yáng)能電池，能最有效利用太陽(yáng)光。太陽(yáng)光經(jīng)聚光器聚焦后能在很小的面積上產(chǎn)生很高的溫度，所以在電池背面采用紫銅進(jìn)行散熱，與紫銅另一面緊貼的是溫差發(fā)電片的熱端。溫差發(fā)電片的電壓小電流大，將4塊40 mm×40 mm的溫差發(fā)電片串聯(lián)在太陽(yáng)能電池背面進(jìn)行發(fā)電。太陽(yáng)能電池板如圖3所示。

(a) 正面

考慮到裝置的體積和最佳的聚光距離，將裝置制作成了一個(gè)長(zhǎng)430 mm，寬430 mm，高105 mm的2×2聚光光伏發(fā)電陣列。其中菲涅爾透鏡尺寸為200 mm×200 mm，焦距為140 mm。自行搭建的聚光光伏及溫差發(fā)電一體化裝置的實(shí)物如圖4所示。

圖4 裝置實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 有、無(wú)溫差的對(duì)比

(1) 為了探究溫差發(fā)電對(duì)于系統(tǒng)的影響，分別啟動(dòng)和不啟動(dòng)溫差系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)前調(diào)整裝置傾斜角度，使陽(yáng)光垂直照射在菲涅耳透鏡上，在回路中接入電阻箱、小量程電流表和電壓表，電阻箱阻值為0～60 kΩ，裝置實(shí)驗(yàn)原理示意圖如圖5所示。不斷調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，測(cè)量太陽(yáng)能電池輸出電流值和電壓值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

利用Origin軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，太陽(yáng)能電池伏安特性曲線如圖6所示，輸出功率曲線如圖7所示。

圖5 原理示意圖

圖6 聚光太陽(yáng)能裝置伏安特性曲線圖圖7 聚光太陽(yáng)能輸出功率曲線

伏安特性曲線中，啟動(dòng)溫差與不啟動(dòng)溫差兩種情況下，聚光太陽(yáng)能電池的輸出電流基本相等，但光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電狀態(tài)下，最終輸出電壓有約0.5 V的明顯提升。由于較大輻射強(qiáng)度導(dǎo)致太陽(yáng)電池內(nèi)部可進(jìn)行復(fù)合的電子-空穴對(duì)增多、電池溫度升高，從而加大電池內(nèi)部電子-空穴對(duì)的復(fù)合概率，對(duì)外輸出電流減弱[18]。太陽(yáng)能電池輸出電壓隨溫度升高而近似線性地減小，隨輻射強(qiáng)度的增加而呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)[19]。電池輸出電壓隨電阻增大而緩慢增加，達(dá)到最大值后開路電壓基本保持穩(wěn)定這主要是受電池溫度升高的影響。相同的聚光條件下，入射到太陽(yáng)電池的光通量相同，太陽(yáng)電池溫度越低，其禁帶寬度就越寬[20]。這意味著被太陽(yáng)電池吸收的光子所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)能維持在高能量水平，從而增大輸出電壓。

在輸出功率曲線中，兩條曲線基本重合，均在電阻箱阻值為8.5 Ω時(shí)有最大輸出功率，光伏-溫差聯(lián)合發(fā)電的最大輸出功率為3.2 W，比單一光伏發(fā)電輸出功率高出0.16 W。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:啟動(dòng)溫差比不啟動(dòng)溫差發(fā)電效果更好。因?yàn)樵诰酃馓?yáng)能電池的背面加裝溫差發(fā)電系統(tǒng)后，不僅能降低聚光太陽(yáng)能電池背面的溫度，提高輸出電壓和最大輸出功率，還可以利用熱能進(jìn)行發(fā)電，增加了總的輸出功率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證整套裝置的可行性。

3.2 系統(tǒng)整體性能

為了研究整個(gè)裝置在正常光照情況下，總輸出功率以及轉(zhuǎn)換效率的情況，進(jìn)行了系統(tǒng)整體性能的測(cè)試：

(1) 實(shí)驗(yàn)前調(diào)整裝置傾斜角度，使陽(yáng)光垂直照射在菲涅耳透鏡上。

(2) 在一體化裝置的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端串聯(lián)一個(gè)阻值為8.5 Ω的負(fù)載和電流表并測(cè)量負(fù)載電流，溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出端串聯(lián)一個(gè)阻值為80 Ω的負(fù)載和電流表并用電壓表測(cè)量負(fù)載電壓。

(3) 搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，啟動(dòng)循環(huán)水散熱即可以開始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)程中，由于前期數(shù)據(jù)變化頻率較快，因此前6 min每隔0.5 min記錄1次，后15 min每隔1 min記錄1次，總共記錄21 min，記錄數(shù)據(jù)見表2。

表2 裝置的輸出功率

利用Origin軟件對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到聚光光伏與溫差發(fā)電一體化裝置的輸出功率曲線，如圖8所示。

圖8 裝置的輸出功率曲線

一體化裝置的輸出功率高于光伏或溫差單獨(dú)一種發(fā)電方式。溫差發(fā)電芯片輸出功率主要受芯片冷、熱端平均溫差影響，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)導(dǎo)致熱端平均溫度升高，輸出功率曲線呈近線性增大。溫差發(fā)電在系統(tǒng)中所占的發(fā)電比重較小[21]。由圖可知：裝置總輸出功率等于聚光光伏系統(tǒng)輸出功率加上溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出功率。陽(yáng)光照射后，光伏系統(tǒng)立刻產(chǎn)生1.5 W左右的輸出功率，長(zhǎng)時(shí)間照射后，輸出功率會(huì)有所上升，最終在2.0 W上下波動(dòng)，考慮到太陽(yáng)能光照強(qiáng)度的變化，輸出功率的變化屬于正?，F(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)比裝置總輸出功率曲線和聚光光伏系統(tǒng)輸出功率曲線，可以發(fā)現(xiàn)裝置工作5 min后，裝置總輸出功率產(chǎn)生增量，說(shuō)明在聚光光伏的基礎(chǔ)上加裝溫差發(fā)電能夠提升總輸出功率，但增加的相對(duì)較少。而5 min前裝置總輸出功率曲線和裝置聚光光伏輸出功率曲線基本一致，說(shuō)明裝置溫差發(fā)電輸出功率在5 min前是一個(gè)逐漸增加的過(guò)程，5 min后趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)分析可知：聚光光伏與溫差發(fā)電一體化裝置是可行的，該一體化裝置能夠?qū)⒐怆姾蜔犭娀旌侠?，?duì)弱光進(jìn)行聚光處理，光電轉(zhuǎn)換效率和整體輸出功率均有所提高。但現(xiàn)在該裝置仍存在一些不足和需要完善的地方，比如裝置采集的時(shí)間還是太短，整個(gè)裝置還需要加裝太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)等。該裝置的投入使用能夠加速光伏行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)光伏溫差混合技術(shù)的發(fā)展。