PV/TEG/PCM热控太阳能混合发电系统设计与实验研究

肖丽仙，傅 雄，周红红，齐婉嫆，张显傲，孟文杰

（楚雄师范学院 物理与电子科学学院，云南 楚雄 675000）

光伏发电中，由于受工作点、温度等因素的影响，太阳电池仅能将5%～17%的太阳能转换为电能，大于80%的太阳能，绝大部分入射到太阳电池内部被转换为了热能，太阳电池工作温度升高［1，2］。一方面太阳电池转换效率会降低，另一方面，太阳电池热量耗散到环境中，未得到有效应用。如何有效控制和利用太阳电池产生热量，提高光伏发电效率，正在成为一个新的研究领域。研究内容包括太阳能光伏/热（PV/T）系统［3，4］和太阳能光伏/热电（PV/TEG）系统［5］等。其中，将温差电池与太阳电池集成，利用太阳电池产生热量作为温差电池热源，设计光伏/热电混合发电得到广泛研究。例如，廖天军等人［6］建立了光伏一温差热电混合发电模块的数学模型，揭示了光伏一温差热电混合发电模块的性能特性。研究结果表明，使用混合发电模块可实现能源的梯级利用，提高太阳能的利用率和系统的效率及输出功率。徐慧婷等［7］设计了一种混合利用光电和热电的聚光光伏/温差发电一体化装置，在一定条件下，装置的输出功率能提高5.26%。王立舒等［8］，设计了一种利用抛物型聚光器的聚光太阳能光伏/温差复合发电系统，冬季测试期间电效率最高达到20.98%。上述理论及实验研究表明，光伏温差混合发电是可行的。但在实际应用中，有效保持光伏/温差系统中温差电池冷端温度较为困难，系统输出能量增加不明显。本文中，为了控制PV/TEG温度，提高系统输出，设计了相变热控PV/TEG/PCM混合发电系统，利用相变材料（PCM）相变时吸收热量温度不变的特性，控制温差电池冷端温度，提高系统输出效率，并对其热控特性及输出电特性开展研究。

1 PV/TE/PCM热控混合发电器结构

PV/TEG/PCM混合发电器结构示意图如图1所示。包括光伏电池、温差电池和相变热控单元。温差电池热端通过导热硅胶与光伏电池背面集成，吸收太阳能电池的热量。温差电池冷端通过导热硅胶与相同面积的散热片集成。相变热控单元吸收温差电池冷端热量控制其温度，使得温差电池冷端和热端形成温差，达到控制系统温度，提高系统输出效率的目的。

图1 PV/TE/PCM发电器结构示意图Fig.1 Structure diagram of PV/TE/PCM generator

2 PV/TEG/PCM热控发电原理

根据PV/TEG/PCM热控混合发电器结构，从光伏发电、温差发电和PV/TEG/PCM热控三方面介绍该混合发电系统的基本原理和特性。

2.1 光伏发电基本原理及特性单体硅光伏电池理想形式与实际形式的等效电路如图2（a）、（b）所示。光伏电池输出功率与电池板的面积、入射光的强度和外界环境温度等有关［9］。

图2 单体硅光伏电池等效模型Fig.2 Equivalent model of single silicon photovoltaic cell

其输出短路电流及开路电压分别如（1）、（2）式所示。

其中，I0为光伏电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，I SC为电池的短路电流，q为电子电荷（1.6×10－19库仑），k为玻尔兹曼常数（0.86×10-4eV/k），T为绝对温度。

对于晶硅太阳电池，温度每升高1℃，其转换效率将下降0.45%。太阳电池光电转换效率与温度变化之间关系如（3）式所示［2］。

2.2 温差发电基本原理及特性温差发电是利用塞贝克效应直接将热能转化为电能，具有体积小、无噪声、可靠性高等特点。温差发电结构示意如图3、4所示。

图3 温差电效应示意图Fig.3 Schematic diagram of thermoelectric effect

图3、4中，处在温差环境中的两种具有不同自由电子密度（或载流子密度）的金属导体（或半导体）A、B相互接触时，如果使两个接头1和2间维持在不同温度和，即产生温度差ΔT，则在导体A的开路位置x和y之间，将会出现电位差，数值为［10］：

（4）式中，αab为塞贝克系数（V/K），其数值及正负取决于导体A和B的温差电特性，与温差梯度的大小和方向无关。

温差电池实际输出到负载R L上的电压V0还与温差电池内阻R0有关，可表示为：

输出电流可表示为：

温差发电系统输出功率可表示为：

从（4）～（7）式可以看出，要提高温差发电输出功率，关键在于保持冷热端有足够大的温度差。

图4 温差发电系统原理图Fig.4 Schematic diagram of thermoelectric power generation system

2.3 PV/TEG/PCM热控PV/TEG/PCM中，太阳电池产生的热量为温差电池热端热源，根据温差电池的热电转换特性，热端、冷端的能量方程可表示为［11］：

（8）、（9）式中，S pn为PN结的塞贝克系数（V/K），T h为P N结热端温度（K），T c为PN结冷端温度（K），K pn为PN结热阻（W/K），R pn为PN结的电阻（Ω），N为半导体温差电池中PN结对数，I为温差电池回路电流（A）。

在TEG/PCM系统中，假设温差电池与PCM热控单元之间的接触热阻很小，忽略不计，则温差电池冷端热量等于PCM热控单元吸收热量。

PCM热控单元中，相变材料封装在铝壳中。热控单元吸收温差电池冷端热量，一部分存储在热控单元中Q st，另一部分通过热控单元表面耗散到环境中Q da。

其中，通过热控单元表面耗散到环境中的Q da包括铝壳对外界环境的对流散热量Q hb和辐射散热量Q rb，可表示为：

对流散热量Q hb可表示为：

（11）式中，A AI为铝壳背面和侧面的表面积（m2），A AI为铝壳与空气之间的对流系数（W/（m2.K）），A AI为铝壳温度（K），T a为环境温度（K）。

（12）式中C0为辐射系数，其值C0=5.67 W/（m2·K4）。

热控单元存吸收量Q st可表示为：

（13）式中，m pcm为相变材料的质量（kg），C pcm为相变材料的比热容（kJ·kg-1·K-1），C AI为铝壳的比热容（kJ·kg-1·K-1），m AI为铝壳的质量（kg），H m为相变材料的相变热焓（kJ·kg-1），T i为相变材料的初始温度（K），T f为相变材料的相变温度（K）。

由于热控单元温度较低，通过其表面耗散热量较少，太阳温差电池冷端热量绝大部分存储在热控单元中。为了有效实现温差电池温度控制，相变材料相变温度与冷端温度之间的匹配十分关键。

3 样机设计与特性测试

根据PV/TE/PCM混合发电器结构，我们设计了PV/TEG/PCM样机，并对其特性进行测试。

3.1 PV/TE/PCM热控混合发电器样机设计设计的PV/TEG/PCM样机，太阳电池选用非晶硅太阳电池组件，其标准功率5W，外形尺寸270×200×17 mm，如图5所示，具体参数如表1所示。

图5 样机及测试照片Fig.5 Prototype and test photos

表1 太阳电池参数Table 1 Solar cell parameters

其次，选用由10片127对温差发电单元组成的温差电池串联，构成温差电池发电器，其安装在太阳电池背面。单个温差电池长宽为30 mm×30 mm；每个发电单元的尺寸为2 mm×2 mm，高为5 mm。另外，根据SA-LA二元复合材料相图特性和太阳电池的温度特点，选取了SA（硬脂酸）质量分数为35%、LA（月桂酸）质量分数为65%混合相变材料，其峰值熔点为42.9℃。其DSC曲线（热谱图）如图6所示。

图6 SA-LA二元混合PCM的DSC图Fig.6 DSC diagram of sa一la binary hybrid PCM

根据太阳电池组件的结构，用厚度为2 mm铝板加工了尺寸为23×16×3 cm相变材料封装铝壳。将LA-SA-EG复合相变材料装入铝壳中封装，与太阳电池板集成制备出PV/TEG/PCM太阳电池热控实验样机，太阳电池、温差电池与PCM铝盒间涂有1 mm厚导热硅胶，目的在于增加其导热。

3.2 实验测试结果及分析在室内模拟光源下，对PV/TEG/PCM系统样机和单一PV系统开展对比实验测试。测试系统由多路数据采集卡、温度变送器、计算机等组成，测试内容包括太阳电池输出电压、电流，温差电池输出电压、电流，太阳电池温度等。样机测试照片如图5所示，测试结果如图7、8、9所示。

从图7可以看出，PV/TEG/PCM系统对太阳电池温度升高的控制作用明显，PV/TEG/PCM系统与单一PV系统相比，太阳电池的最大温度差为17℃。测试期间PV/TEG/PCM系统太阳电池平均温度为48.9℃，单一PV系统太阳电池平均温度为61.6℃。太阳电池输出功率如图8所示，PV/TEG/PCM系统太阳电池输出平均功率为4.46 W，单一PV系统太阳电池平均输出功率为4.25 W，PV/TEG/PCM系统太阳电池输出平均功率与单一PV系统相比增加4.9%。另外，从图9中可以看出，温差电池最大输出功率达到4.12 mW。

图7 太阳电池温度Fig.7 Solar cell temperature

图8 太阳电池输出功率Fig.8 Solar cell output power

图9 温差电池输出功率Fig.9 Output power of thermoelectric battery

4 结论

利用相变材料的温控特性，设计PV/TEG/PCM太阳能混合发电系统，理论与实验测试研究表明，利用相变材料相变过程吸收热量温度不变的特性，是一种较好解决PV/TEG系统温度控制的方法。与单一PV系统相比，在PV/TEG/PCM系统中，太阳电池温度能降低最大17℃，太阳电池输出功率能增加4.9%。