光伏熱電耦合器件中熱電模塊負(fù)載對整體性能的影響

張 佳, 吳子華, 謝華清, 王元元, 趙 誠, 翟 涵

(上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209)

0 引言

能源短缺一直是制約國家經(jīng)濟和社會發(fā)展的主要問題,然而傳統(tǒng)化石能源儲量有限,并且化石能源燃燒過程中釋放的化合物對大氣環(huán)境會造成污染。在能源危機的背景下可持續(xù)能源研究的重要性日益凸顯, 太陽能以其清潔無污染、儲量豐富而備受關(guān)注[1-2]。光伏熱電是基于光生伏特效應(yīng),將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電技術(shù)。然而, 光伏電池(PV) 對太陽光譜的利用存在局限性, PV 實際只能將紫外光和可見光的部分光譜轉(zhuǎn)換為電能,紅外光及其他部分的光譜全部轉(zhuǎn)換為熱能[3-4]。轉(zhuǎn)換的熱能使得PV 溫度不斷上升,進而降低PV 的性能[5-6]。熱電發(fā)電是近年來備受關(guān)注的新型發(fā)電技術(shù),它利用半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng),將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能,具有無污染、無需運動部件等優(yōu)點[7-8]。許多學(xué)者對PV 與熱電模塊(TEG) 耦合進行了探究。Deng等[9]采用實驗與理論模擬相結(jié)合的方式,探究了光伏熱電耦合器件(PV-TE)輸出情況, 實驗結(jié)果表明耦合器件產(chǎn)生的電能是純PV 的兩倍。Park 等[10]通過實驗研究了一種無損耦合,結(jié)果表明當(dāng)溫差達(dá)到15 ℃時耦合器件效率可達(dá)30%。Pang 等[11]設(shè)計了光伏熱電耦合的實驗系統(tǒng),并搭載翅片散熱器作為冷卻裝置。結(jié)果表明,相同冷卻條件下,PV-TE降低了8.29 ℃,而純PV 降低6.49 ℃,耦合TEG 有利于PV 散熱。殷二帥等[12]構(gòu)建了PV-TE 理論模型, 對耦合器件進行了熱阻分析和優(yōu)化。眾多研究成果表明, PV 與TEG 耦合使得PV 產(chǎn)生的余熱可以作為TEG 的熱源,實現(xiàn)了能源的梯級利用。然而,PV 與TEG 耦合的機制是較為復(fù)雜的?；赑V 和TEG 的工作原理,它們對溫度的要求不同,高溫會提升TEG 的功率,但會衰減PV 的性能。因此,熱量是影響耦合系統(tǒng)整體性能的重要因素。有學(xué)者對PV與TEG 的相互影響進行了探究。廖天軍等[13]采用實驗與理論相結(jié)合的方式對光伏熱電耦合系統(tǒng)進行性能分析。他認(rèn)為PV 輸出電流增大時, TEG 輸出電流反而減小,因為傳遞給TEG 的熱量減小。有學(xué)者對PV 與TEG 相互影響的原因進行了更詳細(xì)的研究。Lin 等[14]構(gòu)建外接負(fù)載電阻的耦合器件模型,對負(fù)載電阻優(yōu)化進行研究。結(jié)果表明,TEG 最優(yōu)負(fù)載電阻隨著入射光強的變化而變化。Wu 等[15]通過構(gòu)建耦合器件理論模型,研究了TEG 對應(yīng)的最優(yōu)負(fù)載阻值。結(jié)果表明,純TEG、耦合器件中TEG 和耦合器件整體效率最高時所對應(yīng)的最優(yōu)負(fù)載電阻值均不同,純TEG 的最優(yōu)負(fù)載阻值不能作為耦合器件整體性能最優(yōu)的負(fù)載阻值使用。Li 等[16]采用理論模擬研究了純TEG、耦合器件中TEG 和耦合器件整體效率最高的3 種情況所對應(yīng)的最優(yōu)負(fù)載電阻值隨不同實驗條件的變化,提出了優(yōu)化建議。然而,他們的工作均基于理論模型的研究。TEG 負(fù)載不同電阻對耦合系統(tǒng)性能的影響還需通過實驗進一步驗證。本研究搭建了包含冷卻裝置的實驗平臺,測量不同光強下TEG 負(fù)載不同阻值時PV、TEG 和耦合器件整體效率的變化,以探究TEG 負(fù)載不同阻值對耦合器件的影響。

1 實驗方法

PV-TE 由單晶硅PV 及碲化鉍(Bi2Te3)TEG 組成, 然后將PV 和TEG 用乙烯- 乙酸乙烯共聚物(EVA)材料封裝成為PV-TE。PV 和TEG 的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。圖1 為PV-TE 及測試系統(tǒng)示意圖。在耦合器件運行過程中,入射太陽光透過EVA 材料照射到電池上, PV 將吸收的太陽光部分轉(zhuǎn)化為電能,其余轉(zhuǎn)化為熱能。轉(zhuǎn)化的熱能部分通過熱傳導(dǎo)和熱輻射透過EVA 材料傳遞給周圍環(huán)境;其余的熱能傳遞給TEG。傳遞給TEG 的熱能部分通過熱電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能,其余部分同樣通過熱傳導(dǎo)和熱輻射散發(fā)到環(huán)境中。

表1 PV 和TEG 的參數(shù)Tab.1 Parameters of PV and TEG

圖1 PV-TE 及測試系統(tǒng)搭建示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV-TE system and test system

恒溫冷卻系統(tǒng)由銅制散熱模塊、恒溫浴槽、蠕動泵組成。散熱模塊與耦合器件底部使用導(dǎo)熱系數(shù)為4.2 W/(m2·K) 的導(dǎo)熱膠粘接, 以增強TEG 的散熱[17-18]。本研究在恒溫浴槽20 ℃的冷卻條件下進行。使用光強計OPHIR NOVA II 測量入射光強。PV 與Keithley 萬用表連接,測量伏安特性(I-V)曲線。為避免引線電阻對測量精度產(chǎn)生影響, 使用四線法[19],并計算最大功率(Pmax)、FF 及光電轉(zhuǎn)換效率(η)。TEG 與定值電阻串聯(lián), 電阻兩端并聯(lián)Keithley2002 萬用表測量負(fù)載電阻分配得到的電壓, 并計算輸出功率和η 以評估性能。標(biāo)準(zhǔn)電阻購買自上海澄洋儀器儀表有限公司, 以RTE-S表示。TEG 在其內(nèi)阻與外阻相等或相近時TEG 輸出功率最大[20-21]。已知TEG 內(nèi)阻值為2 ?。因此本研究中TEG 分別負(fù)載2、5 和10 ? 定值電阻,標(biāo)記為RL1、RL2、RL3。實驗條件設(shè)置200 和300 mW/cm2兩種輻照強度,標(biāo)記為G1和G2。

PV 和TEG 輸出功率分別由下式計算:

式中: (PPV)max為PV 的最大輸出功率, mW;(IPV)max為PV 的最大輸出電流, A; (UPV)max為PV 最大輸出電壓,V;PTE為TEG 的輸出功率,mW;UTE為TEG 的輸出電壓,V;RTE-S為TEG 外電路的負(fù)載電阻,?。

PV 的FF 由下式計算可得:

式中: FF 為PV 的填充因子,UOC為PV 的開路電壓,V;ISC為PV 的短路電流,A。

耦合器件總輸出功率由下式計算:

耦合器件總光電轉(zhuǎn)換效率由下式計算:

式中: ηPV代表PV 光電轉(zhuǎn)換效率;ηTE為TEG 熱電轉(zhuǎn)化效率;G 為入射光強,A 為PV 面積。

在測量過程中,TEG 的電壓數(shù)據(jù)均于耦合器件運行至穩(wěn)態(tài)時采集, 且每秒記錄一次。為保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,TEG 的電壓數(shù)據(jù)均記錄40 次然后取平均值,PV 的I-V 曲線均掃描10 次然后取平均值。所有實驗均在室內(nèi)環(huán)境為自然對流條件下進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 PV 的I-V 曲線隨TEG 負(fù)載電阻值變化

圖2 比較了不同光強下耦合器件中PV 的I-V曲線隨TEG 外接負(fù)載電阻值變化。G1下, TEG 外電路負(fù)載RL2電阻時, ISC最高, 為0.40 A, 較電路負(fù)載為RL1時增長了2.65%,較外電路負(fù)載RL3時增長了3.12%。G2下,TEG 電路負(fù)載不同阻值時對PV 的輸出幾乎沒有影響。兩種光強下TEG 負(fù)載不同電阻對UOC均無影響,均為0.61 V。

圖2 (a)G1、(b)G2 下PV-TE 中PV 的I-V 曲線隨TEG 負(fù)載電阻值變化Fig.2 (a)G1 (b)G2 I-V curve of PV in PV-TE system varies with load resistance of TEG

2.2 PV 的Pmax 及F F 隨TEG 負(fù)載電阻值變化

圖3 比較了在不同光強下PV-TE 中PV 的Pmax和FF 隨TEG 負(fù)載阻值的變化。TEG 負(fù)載不同電阻值時,PV 的Pmax和FF 基本相同,幾乎不產(chǎn)生影響。例如G1下, 相比RL3電阻負(fù)載RL2阻值使得PV 的FF 僅提升0.48%。

圖3 PV-TE 中PV 的(a)Pmax、(b)FF 隨TEG 負(fù)載阻值變化Fig.3 (a)Pmax(b)FF of PV in PV-TE system varies with load resistance of TEG

2.3 光伏熱電耦合系統(tǒng)中η 隨TEG 負(fù)載電阻值變化

圖4 比較了在不同光強下PV-TE 中ηPV、ηTE和ηPV-TE隨TEG 負(fù)載阻值變化。與PV 的Pmax和FF 的變化趨勢相同, G1下TEG 負(fù)載RL2, PV 效率最高,為5.45%;相比負(fù)載RL3提升了5.46%。G2下TEG 負(fù)載不同電阻對PV 幾乎沒有影響。如圖4(b) 所示, 當(dāng)外電路負(fù)載與內(nèi)阻相等時(RL1), ηTE最高。G2下,ηTE為0.27%。光強增大后,ηTE隨負(fù)載阻值的降低而提高,與Li 等[16]模擬研究結(jié)果一致。如圖4(c)所示,ηPV-TE在TEG 負(fù)載RL1時最高。G2下,耦合器件的ηPV-TE為5.74%。雖然PV 在TEG 負(fù)載RL2時輸出較好,但負(fù)載RL1時TEG 較高的輸出足以彌補微小差距。

圖4 PV-TE 中(a)ηPV、(b)ηTE、(c)ηPV-TE 隨TEG 負(fù)載阻值變化Fig.4 In the PV-TE(a)ηPV (b)ηTE (c)ηPV-TE varies with the loading resistance of TEG

PV 輸出特性受TEG 負(fù)載電阻影響可能是由于PV-TE 工作過程中, PV 和TEG 之間的熱量傳遞產(chǎn)生的相互影響。TEG 負(fù)載不同電阻值改變了TEG的電能輸出,引起熱端溫度發(fā)生變化。熱端溫度的變化可能利于提高TEG 輸出,但對PV 性能產(chǎn)生消極影響, 因電池自身溫度是影響PV 性能的重要因素。熱電冷端保持恒定溫度時,PV 產(chǎn)生的余熱又會引起TEG 冷熱兩端溫差的變化。TEG 依賴溫差發(fā)電,進而影響到耦合器件整體電能和熱能的輸出占比。然而,這種相互影響是十分有限的。隨著光強的提高,TEG 負(fù)載不同電阻值不影響耦合器件整體性能。相對地,入射光強和溫度是影響PV 輸出特性的重要因素,對耦合器件整體輸出的影響更顯著。

3 結(jié) 論

本研究搭建了包含恒溫冷卻裝置的電學(xué)測試系統(tǒng),測量了不同光強下TEG 負(fù)載不同電阻值時對PV、TEG 和耦合器件整體的輸出影響。結(jié)果表明,TEG 負(fù)載不同電阻值對PV 及耦合器件整體輸出僅在較低光強具有一定的影響,且十分有限。相對地,入射光強對PV 的輸出影響更為顯著。對于光伏熱電耦合系統(tǒng)的外電路設(shè)計,負(fù)載電阻應(yīng)遵循各自的最佳匹配電阻值以獲得較高的輸出功率。本文工作為PV-TE 的外電路優(yōu)化設(shè)計進行了有益探索。