光伏-温差复合发电的研究进展和现状

张雯涵

[摘    要]为了节约化石能源，保护地球的生态环境，提高光伏发电的效率等，人们提出了光伏-温差发电这种新型的发电模式，它可以有效利用光伏发电产生的热量，改善太阳能电池板因温度过高烧坏的问题。文章主要回顾了国内外的研究历程及现状，分析了发电效率，给出了一部分解决措施。

[关键词]光伏-温差混和发电;效率;可靠性

[中图分类号]TM61 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）03–0–03

Research Progress and Status of Photovoltaic Temperature

Difference Hybrid Power Generation

Zhang Wen-han

[Abstract]In order to save fossil energy， protect the earth's ecological environment and improve the efficiency of photovoltaic power generation， a new power generation mode of photovoltaic temperature difference power generation is proposed. It can effectively use the heat generated by photovoltaic power generation and improve the burning problem of solar panels due to high temperature. This paper mainly reviews the research process and current situation at home and abroad， analyzes the power generation efficiency， and gives some solutions.

[Keywords]photovoltaic temperature difference hybrid power generation; efficiency; reliability

隨着环境恶化、能源危机、全球变暖等问题日益突出，可再生能源已经成为各个国家的发展目标和组成能源战略不可或缺的一部分。对比其他可再生能源，由于太阳能的经济性、普遍性、清洁性符合可持续发展的要求，太阳能成为各个国家能源开发研究的重点对象。光伏发电作为太阳能发电的重要组成部分，光伏发电具有无消耗、无污染、无噪声等优点，在光电的转换过程中，只有波长范围在200～800 nm的光用于光电转换，而其他波长的就会转换成热能，这些热能一小部分散失在空气中，另一部分则会引起太阳能电池板的发热，这样不仅会降低发电效率，还会损坏太阳能电池板，使其“变黄”甚至会开裂。在这种情况下，绿色环保的温差发电可以解决上述问题。

温差发电的原理是：P型的富空穴材料和N型的富电子材料相连结后可以形成PN结，至于高温的状态时，另一端处于一个低温状态，在热激发的作用下，P（N）型材料的高温端空穴（电子）浓度明显高于低温端，由于两端具有浓度差，电子以及空穴逐渐向温度低的一端扩散，这样就会形成电动势，完成了将高温端的热能变为电能的转化过程。如果串联起许多的PN结，就会得到足够高的电压形成温差发电器。温差发电可以利用太阳能发电板的余热进行发电，这样一来就降低了太阳能电池板的表面温度，延长电池板的寿命，提高发电效率。本文基于目前光伏-温差发电的现状进行讨论研究。

1 国内光伏-温差发电技术的研究进展

2009年，于红云提出一种混合能源的设计方法，并对其进行优化设计和研究。2010年，刘永生等运用太阳能电池的温度特性以及温差发电的优点，发明出一种新型冰箱模型，其驱动源是光伏-温差发电系统。2012年，郭常青等对分频型、联合型太阳能光伏-温差复合发电进行建模，并讨论了在不一样的聚光比以及换热系数下的效率;赖相霖等人设计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，提高了太阳能量的利用率，进而提高了整体光能量转化的电能效率。2013年，张丽丽等发明出一种太阳电池-温差电池的复合电源;廖天军等人对光伏-温差混合发电进行数学建模，研究了其性能。2014年，廖天军等对低倍聚光的混合发电的数学模型进行研究，对其性能进行提升和改进。2015年，王立舒等为提高太阳能发电效率以及解决温室常规能源供电耗能多的问题，设计了cpc型聚光光伏/温差联合发电系统;吴双应等人建立了用纳米流体作为冷却的光伏-温差发电系统的模型，研究了不同环境因素、负载、热电材料等对于系统性能的影响。2016年，郭瑞芳通过试验得出了不相同的聚光比以及冷却水流量对于发电效率和冷却水流量对发电效率的影响。2017年，谢旭等开发了基于聚光光伏温差复合发电的发电瓷片。2018年，王立舒等为解决由于太阳能电池板温度上升而导致光电转换效率下降的问题，引入热开关对装置进行控制，并对其性能进行测试。2019年，徐慧婷等运用聚光透镜解决了太阳能能流密度低的问题，并用紫铜片进行热传递，进而提高电池转换效率;王立舒等通过采用plc的双轴跟踪、黑铬镀金膜液态金属填充硅脂优化发电系统。2020年，黄励志对高效薄膜光伏温差发电系统进行设计和研究。2021年，李欣然等人探究了辐照度和接触热阻在不同的温差电池与光伏电池面积比下对复合发电系统的影响的规律;宋钊等人研究出1种光伏与多级温差复合发电器，高效利用太阳能的全光谱，提高了发电效率;朱建伟开发设计了用光伏-温差发电驱动实现状态云监测的恒温冷链寄递包装盒。

由以上可知，在全球环境恶化、能源短缺以及国内“双碳”目标的背景下，提高光伏发电效率是当前许多研究人员的关注焦点，将光伏组件与热电组件相结合是1种前景广阔的发电模式，且人们的研究越来越深入，在未来光伏-温差混合发电的应用会越来越广泛。

2 光伏-温差发电系统的类型及原理

现如今的光伏-温差混合发电系统一般分为两类：分频型光伏-温差复合发电系统和联合型光伏-温差复合发电系统。分频型是把聚焦后的太阳光利用分离器分离，波长较短的光用于光伏发电，其余波长的光转化为热量后用于温差发电。联合型是指将太阳能通过聚光装置聚集后，将其汇聚于温差发电器的热端，就会形成发热的高温端，这样一来，使得电池温度升高的热能用来发电，不仅增长电池的使用时间，还提高了发电效率（见图1—图2）。

3 光伏-温差复合发电系统存在的问题

光伏-温差复合发电作为一种新型的发电模式，相较于传统的发电模式具有诸多的优点，但其存在效率不高、可靠性差、受环境因素影响较大等问题。

3.1 发电效率问题

在科技水平日益提高的情况下，基于原本的技术方向提高太阳能电池效率需要投入更大的精力与财力。20世纪80—90年代世界太阳能电池最高效率从22%提高到23.3%，再从23.3%提高到25%，均花费了10a左右的时间，现如今，柔性太阳能电池板最高转换效率可以达到31%。由此可见，提升一点太阳能光发电的效率都是十分不容易的，所以可通过提升温差发电模块的效率来提升总体的发电效率。光伏—温差复合发电的能量传递、转换过程如图3所示。

其中，太阳向光伏电池传输的能量为记为Q，光伏电池向温差发生器传递的能量记为QH，温差发生器传递给冷却系统的能量为记QL，损失的能量记为QPV，光伏电池和温差发生器产生的电能分别为PPV和PTE。根据发电过程示意图可以得到：

其中，α为塞贝克系数;Ri为内阻;ITE工作电流;Tl冷端温度;Th为热端温度;k为传导系数。其传输功率为：

令，Z为优值系数，因此可得：

则温差发电的效率为：

由温差发电效率的公式不难得知，温差发电的效率与优值系数、负载和冷热端温度差等因素有关，因此可以从这些方面对温差模块的效率进行提升。

①可以通过提高优值系数来提高效率。优值系数可以衡量不同热电材料的性质，而且它是最重要的参数之一。现如今，最广泛使用的热电材料是Bi2Te3，它在室温下的优值系数是1左右，但是用其制作的温差发电模块的效率小于10%，因此可以用超晶格薄膜热电材料、纳米材料等优值系数较高的热电材料。②可以通过提升冷热两端温差来提高效率。目前我国主要的冷却处理方式有风冷、液冷、相变散热。空气冷却分为自然风冷和强制风冷，其原理是需要增大对流换热以及辐射换热的面积将低温端的热量带走，一般用散热片作为热交换器。由于液体的换热系数比气体大，所以液冷的散热效率高。相变散热是用材料相态变化时需要吸收的热量来冷却，热管冷却是相变散热的最主要的处理方法。若想要进一步提高散熱效率，还可以采用纳米流体冷却的方式。

从另一个方面考虑，因为光伏发电的效率与太阳能电池板工作的温度相关，温差发电模块的效率受冷热端温度差的影响，光伏-温差复合发电效率还与聚光比有关。对于分频型复合发电系统，温差发电效率随聚光比的增大而增大，光伏发电随聚光比不同呈现不同的变化趋势：当聚光比小于30h，光伏发电效率随聚光比增大而增大;当聚光比大于30h，发电利用率随聚光比的增加有些许下降，因此通过分频型复合发电系统进行发电的效率随聚光比的增大而增大。对于联合型复合发电系统，由于光伏发电的效率随着聚光比的升高而降低，温差发电的效率随着聚光比的升高先变大后减小，联合型的混合发电系统其整体效率随着聚光比的增大而降低。因此对于不同的类型的发电系统，选择合适的聚光比也是十分重要的。

3.2 可靠性问题

光伏-温差混合发电系统的可靠性不高，内部原因主要有以下两点：①光伏发电过程中，由于太阳能电池板表面温度较高，可能会导致太阳能电池板变黄甚至开裂，这一温度的影响虽然可以通过结合温差发电器减弱，但仍然会对太阳能电池板造成损害，而且这种损害不可逆。②如果想得到较高的温差发电效率，就需要增大冷热两端的温度差，但将会导致连接片的热端膨胀或冷端收缩，从而产生机械应力。这种机械应力会使电臂或接头很容易断裂，可能会损坏温差电偶，缩短了其使用时间。

3.3 环境影响

太阳光的照射为光伏发电提供能量来源，虽然太阳给予地球的能量之和很大，但是地球本身的表面积非常大，并且地球的大部分被海洋所覆盖，因此，能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围的太阳能的10%左右，从而陆地只能获得十分少的太阳能量，能量密度很低。太阳光受气候影响十分剧烈，阴天、雾天以及雨雪天都会对发电的状态产生严重影响，有时甚至是云层的变化也会对发电状态有影响。如果空气中的灰尘等浮在电池板的表面，都会影响到发电效率，损坏电池组件。空气中湿度较大时，会对温差发电器产生影响，水分会在冷接头附近形成结露，然后形成一次电池，这样会使得在接头处产生电腐蚀作用，损坏焊接头。

4 结论

光伏-温差发电是一种新型的发电形式，温差发电利用光伏发电的余热进行发电，不仅改善了太阳能电池板因为高温变黄甚至开裂的问题，还对浪费在空气中的余热进行再次利用，不需要额外的资源投入，是在化石资源日益短缺的情况下的必然发展趋势，会在未来得到更好的发展。本文对混合发电模式存在的问题进行了分析，并给出了一些解决措施。

参考文献

[1] 于红云，李艳秋，尚永红，等.光伏-温差混合能源的优化设计与实验研究[J].太阳能学报，2009，30（4）：436-440.

[2] 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.

[3] 宋钊，杨家志，孙诚.光伏与多级温差复合发电器的性能研究[J].实验室研究与探索，2021，40（7）：90-95.