聚光光伏与温差联合发电装置的研究

赖相霖，肖文波，黄苏华，王 庆，刘萌萌，王增辉，徐怀银，吕晨晨，余林锦

（南昌航空大学测试与光电工程学院大学物理国家级实验教学示范中心，江西南昌330063）

1 引 言

随着经济发展，能源需求越来越大.能源储存的有限量问题促使人类去开发、寻找和应用新的替代能源.世界各国日益重视环境及可持续发展，自然会把目光投向太阳能的开发利用[1－3].尽管太阳能是地球上外来的清洁无污染且永不耗竭的能源，但是太阳能作为能源利用时，存在以下两大缺陷：第一转换效率低，第二制造成本高.为了进一步降低光伏发电成本，减少太阳电池芯片的消耗，聚光技术是一项可行的措施[4]，即通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上，从而大幅度地降低系统的成本及昂贵的太阳电池材料用量.但聚光条件下，太阳电池的温度会升高，严重影响太阳电池的性能，从而降低太阳光能量的利用效率[5－7].因此，利用太阳光照射下的升温效应，太阳能温差发电被提出来[8－10]，但温差发电利用太阳能的效率还是较低，因此结合聚光发电和温差发电模式被提出[11－12].

聚光发电可以提高太阳电池的光电转换效率，温差发电则恰好利用了光伏发电中不需要的热能，结合聚光发电和温差发电可实现太阳能能量的整体利用效率.但是目前研究中设计结构复杂，因此，我们提出了基于砷化镓多结太阳能电池、半导体温差发电片的聚光光伏与温差联合发电装置.该装置主要是由聚光光伏发电模块及半导体温差发电模块组成，通过模块间相互协调，从而实现太阳能量利用率提高的目的.

2 硬件设计

2.1 系统总体设计思想

系统整体设计如图1所示，硬件主要由聚光光伏发电模块及半导体温差发电模块组成.聚光发电模块主要由240mm×240mm菲涅尔透镜、10mm×10mm砷化镓多结电池及60mm×60mm×0.4mm紫铜散热片组成.太阳光经过菲涅尔透镜聚光后照射在砷化镓多结电池上发电，紫铜散热片给电池芯片降温.温差发电模块主要由56mm×56mm×5mm的半导体温差发电片（型号为TEP1－12656－0.8）及水冷却箱组成，温差发电片的热端通过紫铜散热片传热，冷端通过水冷却箱进行降温；该模块还带有液晶显示屏，可以通过人机界面实现利用电磁阀控制出水口水的流速，进而实现水冷却箱里水温的控制.

图1 聚光光伏与温差联合发电装置示意图

2.2 聚光发电模块设计方案

聚光部分设计如图2所示，聚光发电模块包括菲涅尔透镜、1cm2的砷化镓多结电池以及带有紫铜散热片的散热底座.结构中4根柱子将菲涅尔透镜托起，透镜所在平面与砷化镓电池所在平面相平行，且过透镜中心的法线也通过电池中心.工作原理为太阳光照射在菲涅尔透镜上，经汇聚后照射在砷化镓电池上，由砷化镓电池进行光电转化获得电能.因为太阳光经点聚焦式光学聚光器聚焦后能在很小的面积上产生很高的温度，可达达500℃以上[13]，所以在电池背面采用紫铜进行散热，与紫铜另一面紧贴的是温差发电片的热端.

图2 聚光模块结构图

装置中可改变系统几何聚光比实现照射到太阳电池上光能量的变化（几何聚光比的定义为[14]：光学系统的入射孔径平面面积与出射孔径平面面积的比值，可通过改变透镜与电池的距离来改变几何聚光比）.

2.3 温差发电模块设计方案

温差发电模块设计如图3所示，该模块采用紫铜散热片将热量从砷化镓多结电池传到温差发电片的热端，冷端采用水冷却的方式进行降温，形成温差，实现发电功能.

在聚光光伏系统上加温差发电模块，一方面给温差发电片热端提供热源，同时又给砷化镓电池降温.水冷却系统采用智能控制方式，使水冷却箱里的水温稳定在测定温度.水温控制系统分为4部分：水温检测、水温显示、水温设定、电磁阀控制.温度检测用DS18B20温度传感器，测温范围－55～＋125℃，现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出给单片机.水温显示采用lcd1602液晶显示模块，第一行显示测试温度，第二行显示设定温度；单片机通过处理温度传感器检测的信号，将测得的数据显示在液晶显示模块上.模块设定按键，通过按键对单片机的操作，可以增大或减小温度设定值.直流电磁阀为一种电流控制阀门开闭的装置，当温度传感器检测到水温大于设定温度值时，单片机经过信号处理，使继电器吸合，电磁阀打开；电磁阀打开后，一方面水经出水口慢慢流出，另一方面自来水经进水口慢慢流进水箱；当温度传感器检测到水温小于设定温度值时，单片机进行信号处理，使继电器断开，电磁阀断开，出水口关闭.

图3 温差发电模块结构图

3 实验结果及分析

光电转化率与几何聚光比的关系如图4所示.单独聚光光伏发电模块条件下，电池的效率随聚光倍数的增大先增大后减小，在75倍时达到最大值31.87%，而在聚光倍数最大的420倍时却只有4.49%.原因是聚光倍率越高，光电池获得的热流密度就越高，电池温度就会升得越高，那么导致太阳电池光电转换效率就会下降[15].聚光光伏与温差联合发电装置的电池的效率同样随聚光倍数的增大先增大后减小；由结果可以看出，加入温差发电模块后的效率得到了一定的提高，由原先的31.87%增加为32.81%；而且最大效率时的几何聚光比单独聚光光伏发电模块要大，原因是温差发电模块使得太阳电池降温，可以实现较大的几何聚光比.

图4 光电转化率与几何聚光比的关系

4 结 论

通过对聚光光伏与温差联合发电装置的理论分析以及测量分析，可知基于砷化镓多结太阳能电池、半导体温差发电片的聚光光伏与温差联合发电装置是可行的，且发现联合装置的光电转换效率达32.81%，可以整体提高光电转化效率.

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