本文摘要：全球能源危機、環(huán)境惡化、資源短缺及燃料價格的波動給人類的生存和發(fā)展帶來威脅，世界各國開始重點關(guān)注可再生能源的開發(fā)與應用。太陽能是一種穩(wěn)定且用之不竭的清潔綠色能源。在光-電轉(zhuǎn)換過程中，一部分波長的光可用于光電轉(zhuǎn)化，而其余波長的光則轉(zhuǎn)化為熱能，
全球能源危機、環(huán)境惡化、資源短缺及燃料價格的波動給人類的生存和發(fā)展帶來威脅，世界各國開始重點關(guān)注可再生能源的開發(fā)與應用。太陽能是一種穩(wěn)定且用之不竭的清潔綠色能源。在光-電轉(zhuǎn)換過程中，一部分波長的光可用于光電轉(zhuǎn)化，而其余波長的光則轉(zhuǎn)化為熱能，引起太陽能電池板發(fā)熱，直接影響了太陽能電池的效率和壽命�；赟eebeck效應的溫差發(fā)電技術(shù)可以解決該問題，利用太陽能電池板的余熱進行溫差發(fā)電。根據(jù)能量守恒定律，熱能轉(zhuǎn)化為電能，同時降低光伏電池板的表面溫度。文章綜述了光伏-溫差發(fā)電技術(shù)的國內(nèi)外研究進展，最后指出光伏-溫差復合發(fā)電技術(shù)可提高能源利用率，降低成本。
能源是世界上所有國家賴以生存及經(jīng)濟繁榮的最重要的話題�；剂弦廊辉诖蠖鄶�(shù)國家占主要能源。然而由于過度開采，使得化石燃料儲量迅速減少，而面臨枯竭�；剂先紵a(chǎn)生CO2形成溫室效應，加劇全球變暖。世界各國越來越關(guān)注可再生能源的利用和發(fā)展。太陽能是最最具代表性的可再生清潔環(huán)保能源，是其他形式的能源的基礎(chǔ)，也是被開發(fā)最多的可再生資源。地球每天從太陽大約接收1.2×105MW的能量，太陽能具有最原始可靠、最容易獲得、可持續(xù)發(fā)展等特點，具有巨大潛力，可滿足世界日益增長的能源需求。
能源論文范例： 非成像聚光太陽能集熱器供暖應用研究
光伏發(fā)電具有無污染、無噪聲、不消耗燃料等優(yōu)點，展現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念，近年來充分得到應用與發(fā)展。利用半導體材料進行光-電轉(zhuǎn)換的光伏電池，當太陽光或其他光照射到光伏電池表面時，光伏電池內(nèi)的半導體電荷分布狀態(tài)將發(fā)生變化，于是產(chǎn)生電動勢和電流，通常這種現(xiàn)象稱為光伏效應，產(chǎn)生的電壓即光生電壓。單晶硅和多晶硅光伏電池是目前世界上應用最廣泛，其總產(chǎn)量約占太陽能電池產(chǎn)量的80%。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率主要決定光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率。從理論上來看，晶體硅光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率接近30%。
在光-電轉(zhuǎn)換過程中，一般來說，波長為200~800nm的光用于光電轉(zhuǎn)化，而其余波長的大部分的光則轉(zhuǎn)化為熱能，這部分光引起太陽能電池板發(fā)熱。由于太陽能電池的輸出特性隨著溫度的變化而變化，且光伏組件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，導致光伏組件表面溫度升高，這不利于光伏電池板的的效率和壽命。
在西北地區(qū)得到夏季，由于太陽的照射強烈，太陽能電池板的表面溫度可達到比環(huán)境溫度高36℃以上，這對太陽能電池板的安全非常不利，天長日久太陽能電池板表面會“變黃”，甚至開裂。采用溫差發(fā)電正好可以解決該問題，將將光伏電池板作為溫差發(fā)電片的熱端，環(huán)境溫度作為冷段。安裝在光伏電池板背板的溫差發(fā)電片吸收太陽能電池板的熱量，進行溫差發(fā)電，一方面可降低光伏電池板的溫度，另一方面額外有電能的輸出。
光伏-溫差復合發(fā)電系統(tǒng)的型式目前光伏溫差復合發(fā)電系統(tǒng)的型式主要有兩種：熱電-光電復合發(fā)電系統(tǒng)和聚光集熱式太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)。以下分別分析這兩種發(fā)電系統(tǒng)型式。熱電-光電復合發(fā)電系統(tǒng)將基于太陽能熱電技術(shù)與光電轉(zhuǎn)換進行集成稱為熱電-光電復合發(fā)電系統(tǒng)，又稱為太陽能全光譜(200～3000nm)直接高效發(fā)電技術(shù)。太陽能熱電-光電復合系統(tǒng)包括聚焦子系統(tǒng)、熱電子系統(tǒng)、分光子系統(tǒng)和廣電子系統(tǒng)。利用聚焦子系統(tǒng)將太陽光聚焦，在某一波長處，利用波長分離器將聚焦后的太陽光的波長分開。將波長較短的光用于光伏的電發(fā)電，波長較長的光產(chǎn)生熱量后用于溫差發(fā)電。采用該技術(shù)，可使整個太陽光光譜的光都能被充分利用，從而提高光伏電站的發(fā)電效率。
聚光集熱式太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)聚光集熱式太陽能溫差發(fā)電裝置是通過聚光集熱裝置(通常采用拋物槽式)聚集太陽能，將太陽光熱能匯聚于半導體溫差發(fā)電的熱端，使半導體溫差發(fā)電裝置的熱端溫度升高，形成發(fā)電的高溫端，另一端敷上管道，在管道中通過水泵驅(qū)動循環(huán)水進行冷卻。在半導體溫差發(fā)電裝置的兩端形成溫差，進行太陽能熱發(fā)電。產(chǎn)生的電能通過直流穩(wěn)壓電路由蓄電池存儲。另外冷卻水吸收溫差發(fā)電片冷端的熱量的同時的水溫升高。升溫后的熱水可用于提供生活用熱水、沐浴等。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外光伏發(fā)電技術(shù)起步較早。1839年，貝克勒爾首次通過實驗觀察到光生伏特效應。目前，光伏發(fā)電技術(shù)已獲得長足的發(fā)展，全世界光伏發(fā)電裝機容量已經(jīng)超過500GW。
Vorobiev等首次提出了將半導體溫差發(fā)電材料和光伏發(fā)電結(jié)合在一起的概念。vanSark利用半導體溫差發(fā)電機(TEG)收集光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱進行發(fā)電，并對PV-TE系統(tǒng)進行簡化處理，使用簡單模型進行了性能分析。Najafi和Woodbury對裝有肋片的PV-TE系統(tǒng)建立了比較全面的傳熱模型，對PV-TE系統(tǒng)進行了仿真模擬，并實驗研究了夏季時系統(tǒng)的工作性能，Liao等獲得了聚光式PV-TE系統(tǒng)最大電能輸出時的負載匹配值。Deng等的數(shù)值模擬結(jié)果表明，在PV-TE系統(tǒng)中增加集熱裝置可使光伏電池和溫差發(fā)電模塊的性能有所提高。Yang和Yin對采用水冷方式的PV-TE系統(tǒng)的實驗結(jié)果表明，由于溫差發(fā)電的低效率使得PV-TE系統(tǒng)并沒有表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢。
DengY等人采用有限元方法模擬了溫差發(fā)電模塊的溫度場，得到其溫度分布，其結(jié)果為光伏-溫差混合系統(tǒng)的總輸出功率是單一光伏發(fā)電輸出功率的兩倍，系統(tǒng)可使光電轉(zhuǎn)換效率有效得到提高，同時太陽能光譜的應用范圍得以拓寬。Chavez-UrbiolaE.A等人研究了在太陽能混合動力系統(tǒng)中應用溫差發(fā)電模塊的可能性。其結(jié)果表明：隨著溫度的升高，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中引入溫差發(fā)電模塊，系統(tǒng)的發(fā)電效率會隨之升高，且溫差發(fā)電模塊的效率幾乎與板間的溫度差成線性關(guān)系，因此光伏電池板隨溫度升高而損失的能量也逐漸減少。JuX等人設(shè)計了一種分光譜的光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)，實驗研究了其光學性能。其結(jié)果為：當聚光比為550~770、換熱系數(shù)為300～4500W/m2·K時，該分光譜的光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)具有優(yōu)良的電學性能。
B.Lorenzi等建立了PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)模型計算出PV-TE的性能隨參數(shù)變化的關(guān)系，并進一步指出PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)存在的問題及展望。2005年，武漢理工大學和新能源研發(fā)部門(日本)共同開展研究，進行了多年的科技攻關(guān)，最終研制出世界上首例千瓦級的PV-TE發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)波長的不同，采用波長分離器，PV-TE發(fā)電系統(tǒng)將太陽光進行分離。
分離后太陽光分為兩個波段：200~800nm和800~3000nm，不同波段的光實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)。將200~800nm波段的光主要用于光伏發(fā)電;而800~3000nm波段的光用于產(chǎn)熱進行溫差發(fā)電，實現(xiàn)了太陽光的梯級利用，提高了太陽光的利用率，并在此基礎(chǔ)上對其效率進行了相關(guān)分析。趙在理基于能量分析的基礎(chǔ)，建立了太陽能熱電裝置理論模型，在模型中引入了有效功“火用”的概念，根據(jù)模型計算了熱電裝置的相關(guān)參數(shù)對熱電效率和火用效率的影響規(guī)律。
張寧研究結(jié)果表明：太陽能熱電系統(tǒng)的輸出功率、效率與熱端和冷端接觸層熱導率成正比關(guān)系，然而與器件熱導率成反比關(guān)系。器件熱導率的影響遠遠大于接觸層熱導率的影響。楊華峰對太陽能熱電-光電復合發(fā)電系統(tǒng)的能量流動、系統(tǒng)的集成拼裝及相應的能量流動進行了分析。綜上所述，目前光伏發(fā)電技術(shù)趨于成熟，工程上已有大規(guī)模的應用。國內(nèi)外關(guān)于光伏發(fā)電的PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的研究時間不長，應用還有待進一步擴大。但是從國內(nèi)外研究學者們的研究成果來看，光伏發(fā)電的PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)是一種比較有發(fā)展前景的光伏發(fā)電模式。
結(jié)語
光伏發(fā)電技術(shù)和溫差發(fā)電相結(jié)合，采用溫差發(fā)電技術(shù)回收利用太陽能電池板的余熱，沒有投入額外的能源，主要的成本為一次性的系統(tǒng)設(shè)備制造與安裝成本。溫差發(fā)電技術(shù)無工作介質(zhì)、無運動轉(zhuǎn)動部件，系統(tǒng)運行成本相對來說比較低廉，可以提高光伏電站的能源利用率;同時減少污染物排放，對環(huán)境的改善十分有利。隨著全球的環(huán)境日益惡劣，以及人類追求美好生活的愿望逐漸加劇，未來關(guān)于光伏-溫差綜合發(fā)電系統(tǒng)的應用、開發(fā)與研究將會走上一個新臺階。
作者：鄭發(fā)松1 王翔1 金家文1 王啟坤1 梁發(fā)向1 馬昕霞2
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