光伏温差界面热耦合特性及混合发电效率

李欣然，王立舒，李　闯，董宇擎，李天舒

·农业生物环境与能源工程·

光伏温差界面热耦合特性及混合发电效率

李欣然，王立舒※，李闯，董宇擎，李天舒

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

光伏温差混合发电系统实际应用中因为温差电池布线及存在尺寸误差等原因，部分光伏电池背板与外界进行自然对流及自然辐射换热，光伏温差界面热耦合特性较为复杂，对混合发电效率的影响规律有待探索。该研究通过有限元软件模拟混合发电系统热场分布，研究接触热阻与辐照度在4种温差电池与光伏电池面积比情况下对混合发电系统的影响规律。结果表明：混合发电系统中对光伏电池的降温效果随着温差电池与光伏电池面积比增大而提高，标况条件下面积比为0.25、0.50、0.75与1.00的系统分别降低光伏电池温度11.02%、13.34%、13.80%与23.12%。增大温差电池与光伏电池面积比可以提升混合系统发电效率，降低接触热阻能提升同一面积比系统发电效率，通过仿真分析与试验验证，面积比为1.00的混合发电系统采用高热导率界面材料时具有最高的发电效率。该研究采用市场化电池研究混合发电系统温度及混合发电效率影响规律，为光伏电池与温差电池联合使用提供参考依据。

光伏；辐照度；温差；接触热阻；发电效率

0 引 言

中国光伏产业发展迅速[1]，光伏发电量已经是世界第一[2]。光伏发电已广泛用于农业生产[3]，但目前光伏电池转换效率提升已达到瓶颈，为提升太阳能利用率及节省空间，光伏温差混合发电技术成为了新的研究热点[4]。光伏发电光照充足时带来的热量会阻碍光电效应，降低光伏发电效率[5]，通常晶体硅电池温度每提高1 ℃，光电转换效率会随之减少3%～5%[6]，过高的温度还会缩短光伏电池工作寿命[7]。光伏温差混合发电技术将影响光伏电池转换效率与工作寿命的热量作为温差发电热源，通过温差电池将光伏电池余热转换为电能[8]。

Chavez-Urbiola等[9]发现温差电池可以维持光伏温差混合发电系统的稳定性，弥补温升导致光伏电池下降的效率。Zhang等[10]研究了强制风冷散热模型下的光伏温差混合发电净功率影响规律。王立舒等[11]研究了CPC聚光模式下水流量对光伏温差混合发电效率的影响规律。Cui等[12]研究了光伏温差混合发电系统中加入相变材料的可行性。目前大多数学者都是研究冷却方式，聚光方式，材料等因素对光伏温差混合发电系统影响，混合发电界面温度特性对效率的影响研究较少[13]。因为温差电池的结构，采用多片温差电池时导线需要进行布线，光伏温差混合发电实际应用中光伏电池的面积通常大于温差电池，未与温差电池接触部分光伏电池面积会与外界环境进行换热。混合发电过程中界面热耦合状态较为复杂，光伏电池的温度分布不均匀，流入温差电池的热量也会因为接触面积的不同而变化，因此探索温差电池与光伏电池面积比对混合发电系统的影响，对光伏温差混合发电系统实际应用具有一定的意义。

本文对光伏温差混合发电系统整体建模，分析4种温差电池与光伏电池面积比混合发电系统的界面热耦合情况，研究接触热阻与辐照度对不同面积比混合发电系统温度及混合发电效率的影响规律，最后通过试验验证，为光伏温差联合发电实际应用提供参考依据。

1 光伏温差混合发电系统原理

1.1 光伏电池的能量转换

光伏温差混合发电系统主要电能来源为光伏电池，光伏电池模型如图1所示。

光伏电池与负载电阻L连接时，理想情况下光伏电池输出电流PV为[14]：

式中ph为光生电流，A；D为二极管流过的电流，A；o为二极管反向饱和电流，A；sh为漏电流，A；PV为光伏输出电压，V；sh为并联电阻，Ω；s为串联电阻，Ω；PV为光伏电池温度；为玻尔兹曼常数，1.38×10-23J/K；为电荷量，1.6×10-19C；为二极管因子。

通常因为并联电阻sh较大，漏电流sh忽略不计，同时串联电阻s较小，PV·s也忽略不计，式（1）简化为式（2）。

光伏电池标准参数为辐照度1 000 W/m2，光伏电池温度25 ℃条件下的测量值，光伏电池输出电流与输出电压都会随辐照度与电池自身温度变化而变化，根据文献可知光伏电池输出特性表达式如下[15]：

式中m为标况下最大输出电流，A；m为标况下最大输出电压，V；max为光伏电池实际输出的最大电流，A；max为光伏电池实际输出的最大电压，V。Δ为光伏电池工作时自身温度与25 ℃之差；Δ为光伏电池工作时太阳辐照度与标况辐照度ref的数值1 000 W/m2之差。

光伏电池光电转换效率定义为光伏电池最大输出功率max与电池表面的太阳能功率in之比。太阳能功率in为光伏电池实际接收的太阳光辐照度与电池表面积的乘积。光伏电池光电转换效率PV见式（5）。

式中in为太阳能功率，W；为聚光比；为太阳辐照度，W/m2；PV为光伏电池面积，m2。

光伏电池发电效率根据经验也可由下式得出[16]。

式中为光伏电池效率温度系数，0.004/℃。PV为光伏电池实际温度，℃，ref为电池标况温度25 ℃。ref为光伏电池标况转换效率，取值范围为12%～18%[16]。

1.2 温差电池的能量转换

温差电池能够有效回收低品位热能，通过塞贝克效应，将自身冷热两端的温度差转换为电能[17]。温差电池内部结构是由多个P型与N型半导体组成，通过铜片串联连接，温差电池的上下表面通常为陶瓷材料导热基板[18]，整体模型如图2所示。

温差电池热电转换效率TE主要由热电优值系数ZT决定[19]。

式中TE为温差电池的转换效率，%；TE-up为温差电池热端温度，K；TE-down为温差电池冷端温度，K。ZT为热电优值与平均温度的乘积，温差电池ZT值可通过PN结参数计算[20]。

式中PN为PN结的相对塞贝克系数，V/K；PN为PN结内阻，Ω；PN为PN结热导，W/K。

式中P与N为P型与N型半导体热导，W/K；P与N为P型与N型半导体热导率，W/(K∙m)；P与N为P型与N型半导体臂长，m；P与N为P型、N型半导体截面面积，m2。P与N为P型与N型半导体内阻，Ω；P与N为P型与N型半导体电阻率，Ω·m。

温差电池的输出功率TE见式（11）。

式中TE为温差电池横截面积，m2；h为温差电池热端的热量，J。

1.3 系统内部能量模型

光伏电池表面接收的辐照能量一部分转换为电能，其余部分转换为热量，因为光伏电池温度高于外界环境，光伏电池通过自然对流与自然辐射形式与外界环境进行热量交换，光伏电池表面能量传递公式见式（12）。

式中PV-up为光伏电池表面温度，K；PV-down为光伏电池背板温度，K；PV为光伏电池等效热阻，K/W；PV为光伏电池面积，m2；1/air为表面与空气对流热阻，K/W；1/r为表面与环境辐射热阻，K/W。

光伏背板与温差电池接触，部分光伏电池的热量通过热传导方式传递给温差电池，因为温差电池形状以及布线等因素，混合发电系统中温差电池总面积小于光伏电池背板面积，光伏背板与外界接触部分会与外界环境进行自然对流及自然辐射散热，光伏电池背板能量传递见式（13）。

式中C1为2种电池接触面的界面热阻，K/W；TE为温差电池面积，m2；TE-up为温差电池热端温度，K；TE-down为温差电池冷端温度，K；TE为温差电池等效热阻，K/W；TE为温差电池功率，W；air为环境温度，K。

温差电池冷端与散热片连接，散热片与环境进行对流换热。风冷散热的能量传递过程见式（14）。

式中hs-up为散热片基板表面温度，K；hs为散热片温度，K；C2为温差电池与散热片界面热阻，K/W；hs-surface为散热片散热表面积，m2；hs为散热片效率，%。

光伏温差混合发电系统能量传递如图3所示。

光伏电池表面接收的太阳辐照能量除了少部分转换为电能，其余都是以热能形式进行传递，理想情况下除了系统与外界环境热辐射及热对流换热，剩余热量热传导至温差电池热端，光伏温差混合发电效率公式如下。

式中为温度，℃。

工程实际中通过测量光伏电池输出功率PV与温差电池输出功率TE，求出混合发电效率。

提升温差电池效率除选用更高热电优值系数温差电池外，势必需要提升温差电池两端温差，界面温度改变的同时光伏电池还与外界环境进行热量交换。不同光伏电池与温差电池组合方式的混合发电系统中光伏电池与外界换热面积不同，导致光伏温差界面热场分布不同，光伏电池与温差电池组合方式对光伏温差混合发电系统的影响规律有待研究。

2 光伏温差混合发电建模

2.1 光伏电池仿真分析

Carr等[21]对多种光伏电池性能进行评估与对比分析发现，经过1 a的户外运行多晶硅电池功率衰减最小。多晶硅电池生产成本最低，目前光伏产业还是以多晶硅电池为主，因此本文针对以多晶硅电池为主体的光伏温差混合发电系统进行研究。根据文献[22-24]建立多晶硅电池模型，模型参数如表1所示。仿真时进行简化，假设组成光伏电池的各种材料介质均匀，同一材料同向各处热导率相等且不受温度变化影响。

光伏电池在工作中实际接收到的辐照能量会因为光学器件效率问题，产生一定的损耗，根据文献[25]普通光伏电池表面为光滑玻璃且无抗反射涂层，透光率为91.7%，多晶硅电池试验条件下转换效率为16.7%[26]，光伏电池工作时表面的热流量PV见式（17）。

通过Icepak对多晶硅电池进行热分析，该模型以Y轴负方向为重力方向，环境温度为25 ℃，环境风速为2.5 m/s，在光伏电池与外界进行自然对流及自然辐射换热情况下，1 000 W/m2辐照度光伏电池温度分布如图4所示。

由图4可知光伏电池最高温度达到了43.42 ℃，最低温度为36.46 ℃，求解平均温度通过式（6）进行计算，此时光伏电池效率为15.65%。为了提高发电效率，需要对光伏电池散热，温差电池能够利用光伏电池热量进行热电转换，提高太阳能综合利用率。

2.2 光伏温差联合仿真分析

本文研究中温差电池选择广东FUXIN Corporation生产的TEC1-12706型号Bi2Te3材质半导体温差电池，根据文献[20,27]得出温差电池内部参数，参数如表2所示。

表2 温差电池内部参数

仿真过程中将温差电池看做整体进行分析，不考虑内部接触热阻，温差电池等效热导率TE计算公式如下：

式中TE为温差电池高度，m；ce为陶瓷热阻，K/W；cu为铜片热阻，K/W；PN为PN结热阻，K/W；w为焊接层热阻，K/W；TE为温差电池横截面积，m2。温差电池内部各模块热阻可通过式（19）得出。

式中为模块高度，m；为模块热导率，W/(K·m)；为模块横截面积，m2。

本研究采用商用Bi2Te3温差电池，低温差情况下该温差电池热电转换效率不足5%，在光伏温差混合发电过程中，主要起热传导作用，因此在整体建模中为了计算简便，不考虑热电效应消耗的热量[28]。温差电池冷端采用自然风冷散热，使用尺寸为40 mm×40 mm×20 mm的11齿铝制散热片，散热片基板厚4.2 mm，齿高15.8 mm。

温差电池热端贴附在光伏电池背板，在实际应用中温差电池与光伏电池面积比不能达到目前研究中默认的1.00。光伏电池背板部分面积与外界通过自然对流及自然辐射形式换热，导致光伏电池与温差电池界面热耦合特性更为复杂。为了研究温差电池与光伏电池面积比对混合发电系统的影响，本文对温差电池与光伏电池面积比分别为0.25、0.50、0.75、1.00的4种混合发电系统进行研究。

如图5所示，在光伏电池背面添加温差电池能够有效降低光伏电池温度，在系统与外界自然对流及自然辐射换热情况下，温差电池与光伏电池面积比为0.25，可将光伏电池最高温度降低11.02%；温差电池与光伏电池面积比为0.50，可将光伏电池最高温度降低13.34%；温差电池与光伏电池面积比为0.75，可将光伏电池最高温度降低13.80%；温差电池与光伏电池面积比为1.00，可将光伏电池最高温度降低23.12%。

3 光伏温差混合发电效率影响分析

3.1 接触热阻对系统效率影响分析

光伏电池的温度升高会影响自身转换效率，同时也导致表面接收的辐照度更多的转换为热流量，反过来继续影响自身转换效率，因此需要进行迭代求解，才能得出光伏电池在温度影响下的发电效率。本文通过Icepak仿真软件反复拟合光伏效率与电池温度数值，计算混合发电效率。

光伏电池与温差电池热端接触面及温差电池冷端与散热片接触面存在接触热阻，接触热阻能够阻碍接触界面间的热量传递，为减小接触热阻，通常会在界面添加高热导率界面材料，同时接触压力也会影响界面接触热阻。根据文献[29]可知，光伏温差混合发电系统接触热阻范围为0～900 mm2·K/W。

为研究接触热阻对热耦合状态混合发电系统的影响，本文假定温差电池冷热两端接触热阻一致，设定辐照度为1 000 W/m2，环境温度25 ℃，对光伏温差混合发电系统与外界自然对流及自然辐射情况下的接触热阻影响进行仿真分析，仿真结果通过Origin绘制曲线。接触热阻0～900 mm2·K/W范围内的不同面积比光伏温差混合发电系统温度情况如图6所示，系统各部分温度值为ANSYS求解得出的平均温度值。

根据图6仿真结果可知，接触热阻从0增至900 mm2·K/W，温差电池与光伏电池面积比为0.25，光伏电池温度上升0.30 K，温差电池两端温差由5.08变为5.04 K；面积比为0.50，光伏电池温度上升0.44 K，温差电池两端温差由4.00变为4.21 K；面积比为0.75，光伏电池温度上升0.54 K，温差电池两端温差由3.61变为3.95 K；面积比为1.00，光伏电池温度上升0.67 K，温差电池两端温差由3.28变为3.55 K。随着接触热阻值增大，光伏温差混合发电系统各部分温度上升，面积比与光伏电池温度上升幅度正相关。通过式（15）计算不同接触热阻对4种面积比情况混合发电系统效率影响，结果如图7所示。

由图7可知，接触热阻0～900 mm2·K/W范围内，面积比为0.25时混合发电效率下降0.30%；面积比为0.50时混合发电效率下降0.44%；面积比为0.75时混合发电效率下降0.54%；面积比为1.00时混合发电效率下降0.67%。根据数据分析，随着接触热阻增大混合系统发电效率降低。温差电池与光伏电池面积比增大，系统效率受接触热阻影响程度增加。随着界面接触热阻逐渐增大，不同面积比混合发电系统效率趋于接近。

温差电池与光伏电池面积比增大意味着二者接触面积增加，因此接触热阻对光伏温差混合发电系统影响程度也随之增加。

3.2 辐照度对系统发电效率影响分析

光伏温差混合发电系统为提高混合发电效率，有必要减小接触热阻加强热传导，通常界面材料选用硅脂，界面热阻范围为20～100 mm2·K/W[30]。混合发电系统的界面接触压力较小，因此本文仿真模型界面接触热阻根据文献选取较小接触压力下导热硅脂接触热阻值35 mm2·K/W[13]。为研究辐照度对不同面积比混合发电系统影响，本文对400～1 200 W/m2辐照度范围内的光伏温差混合发电系统进行仿真分析。

如图8所示，随着辐照度上升，4种面积比情况下的混合发电系统整体温度升高，温差电池两端温差增大。0.25面积比情况下光伏电池温度上升9.68 K，温差电池两端温差从2.04增至6.07 K；0.50面积比情况下光伏电池温度上升8.12 K，温差电池两端温差从1.61增至4.83 K；0.75面积比情况下光伏电池温度上升7.27 K，温差电池两端温差从1.45增至4.37 K；1.00面积比情况下光伏电池温度上升6.45 K，温差电池两端温差从1.32增至3.95 K。

根据仿真结果可知，随着辐照度上升，混合发电系统光伏电池温度上升，温差电池两端温差增大。温差电池与光伏电池面积比增加能够降低光伏电池温度上升幅度，减少温差电池两端温差增加量。

辐照度对混合发电效率的影响如图9所示，4种不同面积比混合发电效率随着辐照度上升而下降。400～1 200 W/m2范围内0.25面积比情况下混合发电效率下降0.56个百分点；0.50面积比情况下混合发电效率下降0.44个百分点；0.75面积比情况下混合发电效率下降0.38个百分点；1.00面积比情况下混合发电效率下降0.31个百分点。根据数据分析，随着辐照度上升，温差电池与光伏电池面积比增大可以减弱混合发电效率下降趋势。辐照度降低，不同面积比的混合发电系统效率趋于接近，400 W/m2辐照度情况下1.00系统发电效率仅比效率最低的0.25系统高0.11%。

4 不同面积比混合发电效率测试试验

为了验证仿真结果，于2020年7月25日－8月4日进行室外试验，选用80 mm×80 mm标准5V 160 mA的多晶硅电池与40 mm×40 mm型号TEC1-12706温差电池进行组合，该尺寸下4片温差电池不受布线影响，能够实现温差电池与光伏电池面积比为1.00。试验采用PZEM-031直流多功能表测量光伏电池输出电压与输出电流，计量精度1.0级，负载为阻值100 Ω电位器。通过MAS830L万用表测量温差电池电压与电流，直流电压准确度为±0.5%，直流电流准确度为±1.0%。使用JXBS-3001-ZFS太阳辐射传感器测量辐照度并通过USB转485模块传输数据至PC端，测量试验如图10所示。

试验中分别对无界面材料4种面积比光伏温差混合发电系统与界面采用导热系数2.0 W/m·K硅脂的4种面积比光伏温差混合发电系统进行测量。因为PZEM-031电压量程为6.5～100 V，当辐照度过低时光伏电池电压低于测量量程，因此测量试验在辐照度范围500～1 100 W/m2内进行。测量结果如图11所示。

试验中系统效率范围为7.0%～8.6%左右，主要因为试验采用的市场化多晶硅电池纯度不高，光伏效率难以达到仿真采用的理想光伏电池效率水平，导致太阳能功率更多的转换为热量。同时试验过程中对系统进行自然风冷的环境风速并不稳定，以及测量仪器存在一定的误差，导致与仿真结果相比，系统效率波动范围更大，但系统效率趋势与仿真结果较为接近。

根据测试结果，不同面积比混合发电系统在低辐照度情况下效率较为接近，辐照度为500 W/m2时最大系统发电效率比最小系统发电效率高0.30%，采用硅脂界面材料的混合发电系统同一辐照度情况下发电效率高于相同面积比直接接触混合发电系统。与仿真有所区别的是辐照度大于1 000 W/m2时，8种不同情况的系统发电效率趋于接近，根据现场情况分析，高辐照度情况下环境温度过高，处于无风状态，自然风冷散热效果较差，导致系统温度接近，1 100 W/m2辐照度时最大系统发电效率比最小系统发电效率高0.17个百分点。

5 结 论

本文对光伏温差混合发电系统不同面积比情况下的界面热耦合特性及混合发电效率进行研究，分析了接触热阻与辐照度对混合系统温度及混合发电效率的影响规律并通过试验验证，主要结论如下：

1）温差电池与光伏电池面积比影响混合发电系统温度，温差电池两端温差随光伏电池温度上升而增加。标准情况下0.25、0.50、0.75与1.00面积比混合发电系统将光伏电池最高温度分别降低11.02%、13.34%、13.80%与23.12%，降温效果随温差电池与光伏电池面积比增大而增强。

2）随着面积比增大，混合发电效率提升，在光伏温差混合发电实际应用中应在保证布线质量的前提下尽可能的提高温差电池与光伏电池面积比。随着温差电池与光伏电池面积比升高，接触热阻对混合发电系统影响增大，为了提高混合发电效率，系统需要采用高热导率界面材料减少接触热阻。

3）实际应用中环境平均辐照度较低时，可以考虑减少温差电池与光伏电池面积比，降低发电成本。混合发电系统经常工作于辐照度1 000 W/m2以上且风速较低的环境时，系统不宜选择自然风冷散热。

[1]罗凤章，米肇丰，王成山，等. 并网光伏发电工程的低碳综合效益分析模型[J]. 电力系统自动化，2014，38(17)：163-169. Luo Fengzhang, Mi Zhaofeng, Wang Chengshan, et al. Comprehensive low-carbon benefit analysis models of grid-connected photovoltaic power generation projects[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(17): 163-169. (in Chinese with English abstract)

[2]刘天扬. 兆瓦级光伏电站并网电压控制技术研究[D]. 南京：东南大学，2019. Liu Tianyang. Research on the Voltage Control in Grid-connect Megawatt-class Photovoltaic Power Station[D]. Nanjing: Southeast University,2019.(in Chinese with English abstract)

[3]杨亚林，朱德兰，李丹，等. 积灰和光照强度对光伏组件输出功率的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(5)：203-211. Yang Yalin, Zhu Delan, Li Dan, et al. Influence of dust accumulation and light intensity on output power of photovoltaic modules[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2019,35(5):203-211. (in Chinese with English abstract)

[4]冯利佳，殷二帅，李强. 聚光和非聚光光伏-热电耦合系统的优化[J]. 科学通报，2019，64(18)：1943-1952. Feng Lijia, Yin Ershuai, Li Qiang. Optimization of the photovoltaic-thermoelectric hybrid system with and without optical concentrator[J]. Chinese Science Bulletin, 2019, 64(18): 1943-1952. (in Chinese with English abstract)

[5]Dallan B S, Schumann J, Lesage F J. Performance evaluation of a photoelectric-thermoelectric cogeneration hybrid system[J]. Solar Energy, 2015, 118: 276-285.

[6]殷二帅，李强. 光伏热电耦合系统热阻分析及优化[J]. 工程热物理学报，2017，38(4)：828-832.Yin Ershuai, Li Qiang. Optimization of photovoltaic- thermoelectric hybrid system through thermal resistance analysis[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2017, 38(4): 828-832. (in Chinese with English abstract)

[7]Saidov M S. Photothermoelectric cell for thermophotovoltaic systems and solar power plants with concentrators[J]. Applied Solar Energy, 2012, 48(2): 67-70.

[8]Lorenzi B, Acciarri M, Narducci D. Analysis of thermal losses for a variety of single-junction photovoltaic cells: An interesting means of thermoelectric heat recovery[J]. Journal of Electronic Materials, 2015, 44(6): 1809-1813.

[9]Chavez-Urbiola E A, Vorobiev Y V, Bulat L P. Solar hybrid systems with thermoelectric generators[J]. Solar Energy, 2012, 86(1): 369-378.

[10]Zhang J, Xuan Y, Yang L. Performance estimation of photovoltaic-thermoelectric hybrid systems[J]. Energy, 2014, 78: 895-903.

[11]王立舒，冯广焕，张旭，等. 聚光太阳能光伏/温差热复合发电系统设计与性能测试[J]. 农业工程学报，2018，34(15)：246-254.Wang Lishu, Feng Guanghuan, Zhang Xu, et al. Design and performance test of concentration solar PV/TE compound power generation system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(15): 246-254. (in Chinese with English abstract)

[12]Cui T, Xuan Y, Li Q. Design of a novel concentrating photovoltaic-thermoelectric system incorporated with phase change materials[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 112: 49-60.

[13]崔腾飞. 光伏-热电耦合系统界面传热及温度调控特性研究[D]. 南京：南京理工大学，2017. Cui Tengfei. The Investigations on the Interfacial Heat Transfer and the Temperature Photovoltaic-thermoelectric Regulation in a Hybrid System[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

[14]刘畅，陈启卷，陈桂月，等. 光伏-燃料电池混合发电系统建模与仿真[J]. 太阳能学报，2018，39(11)：3113-3119.Liu Chang, Chen Qijuan, Chen Guiyue, et al. Modeling and simulation of PV-fuel cell hybrid power system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(11): 3113-3119. (in Chinese with English abstract)

[15]汤允凤. 太阳能光伏光热综合利用系统研究及优化控制[D]. 南宁：广西大学，2019. Tang Yunfeng. Research and Optimal Control of Solar Photovoltaic/thermal Comprehensive[D]. Nanning: Guangxi University, 2019. (in Chinese with English abstract)

[16]殷桂梁. 分布式发电技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[17]王立舒，李欣然，苏继恒，等. 基于温差电池的温室地埋供热金属管道阴极保护改进[J]. 农业工程学报，2018，34(19)：195-201. Wang Lishu, Li Xinran, Su Jiheng, et al. Improvement of cathodic protection of greenhouse buried heat-supply metal pipeline based on thermoelectric cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 195-201. (in Chinese with English abstract)

[18]王军，张超震，董彦，等. 温差发电模型的热电性能数值计算和分析[J]. 太阳能学报，2019，40(1)：44-50. Wang Jun, Zhang Chaozhen, Dong Yan, et al. Numerical calculation and analysis on properties of thermoelectric generation model [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2019, 40(1): 44-50. (in Chinese with English abstract)

[19]殷二帅，李强. 光伏-热电耦合系统器件选择原理[J]. 工程热物理学报，2020，41(3)：722-727. Yin Ershuai, Li Qiang. Selection principle of devices for photovoltaic-thermoelectric hybrid system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2020, 41(3): 722-727. (in Chinese with English abstract)

[20]徐刚. 汽车尾气余热温差发电系统仿真与设计[D]. 北京：北京交通大学，2014. Xu Gang. Simulation and Design on Automobile Exhaust Heat Power Generation System[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[21]Carr A J, Pryor T L. A comparison of the performance of different PV module types in temperate climates[J]. Solar Energy, 2004, 76(1/2/3): 285-294.

[22]李光明，刘祖明，廖华，等. 金属背板型单晶硅光伏组件的电性能研究[J]. 太阳能学报，2013，34(7)：1141-1148. Li Guangming, Liu Zuming, Liao Hua, et al. Study on the electrical properties of metal backplane monocrystalline silicon pv components[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(7): 1141-1148. (in Chinese with English abstract)

[23]勾宪芳. 晶硅太阳能电池组件电势诱发功率衰减行为及机理的研究[D]. 北京：北京工业大学，2018. Gou Xianfang. Study on the Behavior and Mechanism of Potential Induced Degradation (pid) of Crystalline Silicon Solar Cell and Module[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2018. (in Chinese with English abstract)

[24]戚丽娜，许高斌，黄庆安. 范德堡多晶硅热导率的测试结构[J]. 固体电子学研究与进展，2005，25(4)：569-573. Qi Lina, Xu Gaobin, Huang Qing’an. Van der pauw test structure of the thermal conductivity of polysilicon thin films[J]. Research & Progress of SSE, 2005, 25(4): 569-573. (in Chinese with English abstract)

[25]Walwil H M, Mukhaimer A, Al-Sulaiman F A, et al. Comparative studies of encapsulation and glass surface modification impacts on PV performance in a desert climate[J]. Solar Energy, 2017, 142: 288-298.

[26]刘珣. 基于汽车尾气余热的热电发电系统热传递研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2016. Liu Xun. Research Heat Transfer of Thermoelectric Generator System Based on Automotive Waste Heat Recove[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[27]张映斌，熊震，陈奕峰，等. 多晶硅太阳电池转换效率和晶体缺陷相关性[J]. 红外与毫米波学报，2015，34(5)：551-556.Zhang Yingbin, Xiong Zhen, Chen Yifeng, et al. Correlation between polycrystalline based solar cell conversion efficiencyand crystallization defects[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2015, 34(5): 551-556. (in Chinese with English abstract)

[28]梁秋艳. 聚光太阳能温差发电关键技术及热电性能机理研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2016.Liang Qiuyan. Research of Concentration Solar Thermoelectric Generation Key Technology and Thermoelectric Performance Mechanism[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[29]张进. 光伏-热电耦合系统的性能分析与匹配机制研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2018.Zhang Jin. Performance Analysis and Energy Matching Mechanism of the Photovoltaic-thermoelectric Hybrid System[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2018. (in Chinese with English abstract)

[30]Otiaba K C, Ekere N N, Bhatti R S, et al. Thermal interface materials for automotive electronic control Unit: Trends, technology and R&D challenges[J]. Microelectronics Reliability, 2011, 51(12): 2031-2043.

Thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface and efficiency of hybrid power generation

Li Xinran, Wang Lishu※, Li Chuang, Dong Yuqing, Li Tianshu

(150030,)

When photovoltaic power generation is in sufficient light, heat generated by solar radiation will hinder photoelectric conversion effect. Excessive temperature will also shorten the working life of the photovoltaic cell itself. The photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation technology is to add thermoelectric cell to the photovoltaic cell backplane, using the heat that affects the conversion efficiency and working life of photovoltaic cell as heat source for thermoelectric power generation. Through thermoelectric cell converting waste heat of photovoltaic cell into electrical energy. In actual application of photovoltaic-thermoelectric system uses a combination of multiple thermoelectric cells and photovoltaic cells. Multiple thermoelectric cell wires need to be wired，thermoelectric cells also have dimensional errors. Therefore, the area of photovoltaic cell is usually larger than that of thermoelectric cell. Part of photovoltaic cell backplane conducts natural convection and natural radiation heat exchange with the outside world. The thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface are more complicated, and the law of influence on the efficiency of hybrid power generation system needs to be explored. These research use finite element software to simulate interface thermal field distribution of photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation system, verification by experiment, in the case of 4 types of thermoelectric cell and photovoltaic cell area ratios investigating the influence law of hybrid power generation system temperature and hybrid power generation efficiency. The results show that the area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell affects the temperature of hybrid power generation system, and system cooling effect of the photovoltaic cell in the hybrid power generation system increases when the area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell increases. Respectively, under the standard conditions system with area ratios of 0.25, 0.50, 0.75 and 1.00 reduces the temperature of photovoltaic cell by 11.02%, 13.34%, 13.80% and 23.12%. Increasing area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell can improve the efficiency of hybrid power generation system. Reducing contact thermal resistance can improve efficiency of hybrid power generation system on the same area ratio. As interface contact thermal resistance increases, efficiency of the hybrid power generation system decreases. Under condition of low irradiance, efficiency of photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation system with different area ratios tends to be close. Through finite element simulation analysis and test verification, using high thermal conductivity interface materials, the hybrid power generation system with area ratio of 1.00 has the highest power generation efficiency. Therefore, in the practical application of photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation, on the premise of ensuring the quality of the thermoelectric cell wiring, increasing the area ratio of thermoelectric cell and photovoltaic cell as much as possible. As the area ratio of thermoelectric cell to photovoltaic cell increases, contact thermal resistance influence on hybrid power generation system increases. For improve the efficiency of hybrid power generation system, the system interface contact thermal resistance requires the use of high thermal conductivity interface materials to reduce contact thermal resistance. The experiment uses cell widely used in the market to study the influence law of hybrid power generation system temperature and hybrid power generation efficiency, providing a reference for the combined use of photovoltaic cell and thermoelectric cell.

photovoltaic; irradiance; temperature difference; thermal contact resistance; generation efficiency

李欣然，王立舒，李闯，等. 光伏温差界面热耦合特性及混合发电效率[J]. 农业工程学报，2021，37(1)：233-240.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.028 http://www.tcsae.org

Li Xinran, Wang Lishu, Li Chuang, et al. Thermal coupling characteristics of photovoltaic-thermoelectric interface and efficiency of hybrid power generation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 233-240. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.028 http://www.tcsae.org

2020-08-09

2020-12-10

黑龙江省教育厅科技课题（12521038）

李欣然，博士生，研究方向：电力新能源开发与利用。Email：827623386@qq.com

王立舒，博士，教授，博士生导师。研究方向：农业电气化与自动化；电力新能源开发与利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.028

TM913

A

1002-6819(2021)-01-0233-08