光伏溫差復(fù)合發(fā)電技術(shù)研究

　　全球能源危機(jī)、環(huán)境惡化、資源短缺及燃料價(jià)格的波動(dòng)給人類的生存和發(fā)展帶來(lái)威脅，世界各國(guó)開始重點(diǎn)關(guān)注可再生能源的開發(fā)與應(yīng)用。太陽(yáng)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(guò)程中，一部分波長(zhǎng)的光可用于光電轉(zhuǎn)化，而其余波長(zhǎng)的光則轉(zhuǎn)化為熱能，引起太陽(yáng)能電池板發(fā)熱，直接影響了太陽(yáng)能電池的效率和壽命。基于Seebeck效應(yīng)的溫差發(fā)電技術(shù)可以解決該問(wèn)題，利用太陽(yáng)能電池板的余熱進(jìn)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(shí)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(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，最后指出光伏-溫差復(fù)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(guó)家賴以生存及經(jīng)濟(jì)繁榮的最重要的話題�；�石燃料依然在大多數(shù)國(guó)家占主要能源。然而由于過(guò)度開采，使得化石燃料儲(chǔ)量迅速減少，而面臨枯竭�；�石燃料燃燒產(chǎn)生CO2形成溫室效應(yīng)，加劇全球變暖。世界各國(guó)越來(lái)越關(guān)注可再生能源的利用和發(fā)展。太陽(yáng)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(yáng)大約接收1.2×105MW的能量，太陽(yáng)能具有最原始可靠、最容易獲得、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，具有巨大潛力，可滿足世界日益增長(zhǎng)的能源需求。

　　能源論文范例： 非成像聚光太陽(yáng)能集熱器供暖應(yīng)用研究

　　光伏發(fā)電具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、不消耗燃料等優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念，近年來(lái)充分得到應(yīng)用與發(fā)展。利用半導(dǎo)體材料進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換的光伏電池，當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射到光伏電池表面時(shí)，光伏電池內(nèi)的半導(dǎo)體電荷分布狀態(tài)將發(fā)生變化，于是產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流，通常這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)，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(yīng)用最廣泛，其總產(chǎn)量約占太陽(yáng)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(lái)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(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)為200~800nm的光用于光電轉(zhuǎn)化，而其余波長(zhǎng)的大部分的光則轉(zhuǎn)化為熱能，這部分光引起太陽(yáng)能電池板發(fā)熱。由于太陽(yáng)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(dǎo)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(yáng)的照射強(qiáng)烈，太陽(yáng)能電池板的表面溫度可達(dá)到比環(huán)境溫度高36℃以上，這對(duì)太陽(yáng)能電池板的安全非常不利，天長(zhǎng)日久太陽(yáng)能電池板表面會(huì)“變黃”，甚至開裂。采用溫差發(fā)電正好可以解決該問(wèn)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(yáng)能電池板的熱量，進(jìn)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(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的型式目前光伏溫差復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的型式主要有兩種：熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)和聚光集熱式太陽(yáng)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(fù)合發(fā)電系統(tǒng)將基于太陽(yáng)能熱電技術(shù)與光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行集成稱為熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，又稱為太陽(yáng)能全光譜(200～3000nm)直接高效發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能熱電-光電復(fù)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(yáng)光聚焦，在某一波長(zhǎng)處，利用波長(zhǎng)分離器將聚焦后的太陽(yáng)光的波長(zhǎng)分開。將波長(zhǎng)較短的光用于光伏的電發(fā)電，波長(zhǎng)較長(zhǎng)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(gè)太陽(yáng)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(yáng)能溫差發(fā)電系統(tǒng)聚光集熱式太陽(yáng)能溫差發(fā)電裝置是通過(guò)聚光集熱裝置(通常采用拋物槽式)聚集太陽(yáng)能，將太陽(yáng)光熱能匯聚于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的熱端，使半導(dǎo)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(guò)水泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)水進(jìn)行冷卻。在半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置的兩端形成溫差，進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電。產(chǎn)生的電能通過(guò)直流穩(wěn)壓電路由蓄電池存儲(chǔ)。另外冷卻水吸收溫差發(fā)電片冷端的熱量的同時(shí)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外光伏發(fā)電技術(shù)起步較早。1839年，貝克勒爾首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到光生伏特效應(yīng)。目前，光伏發(fā)電技術(shù)已獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，全世界光伏發(fā)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)500GW。

　　Vorobiev等首次提出了將半導(dǎo)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(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)(TEG)收集光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行發(fā)電，并對(duì)PV-TE系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使用簡(jiǎn)單模型進(jìn)行了性能分析。Najafi和Woodbury對(duì)裝有肋片的PV-TE系統(tǒng)建立了比較全面的傳熱模型，對(duì)PV-TE系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，并實(shí)驗(yàn)研究了夏季時(shí)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(shí)的負(fù)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(duì)采用水冷方式的PV-TE系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(shì)。

　　DengY等人采用有限元方法模擬了溫差發(fā)電模塊的溫度場(chǎng)，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(shí)太陽(yáng)能光譜的應(yīng)用范圍得以拓寬。Chavez-UrbiolaE.A等人研究了在太陽(yáng)能混合動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)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(huì)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(jì)了一種分光譜的光伏-溫差混合發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了其光學(xué)性能。其結(jié)果為：當(dāng)聚光比為550~770、換熱系數(shù)為300～4500W/m2·K時(shí)，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(xué)性能。

　　B.Lorenzi等建立了PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型計(jì)算出PV-TE的性能隨參數(shù)變化的關(guān)系，并進(jìn)一步指出PV-TE混合發(fā)電系統(tǒng)存在的問(wèn)題及展望。2005年，武漢理工大學(xué)和新能源研發(fā)部門(日本)共同開展研究，進(jìn)行了多年的科技攻關(guān)，最終研制出世界上首例千瓦級(jí)的PV-TE發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，采用波長(zhǎng)分離器，PV-TE發(fā)電系統(tǒng)將太陽(yáng)光進(jìn)行分離。

　　分離后太陽(yáng)光分為兩個(gè)波段：200~800nm和800~3000nm，不同波段的光實(shí)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(jìn)行溫差發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光的梯級(jí)利用，提高了太陽(yáng)光的利用率，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其效率進(jìn)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(yáng)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(jì)算了熱電裝置的相關(guān)參數(shù)對(duì)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(yáng)能熱電系統(tǒng)的輸出功率、效率與熱端和冷端接觸層熱導(dǎo)率成正比關(guān)系，然而與器件熱導(dǎo)率成反比關(guān)系。器件熱導(dǎo)率的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸層熱導(dǎo)率的影響。楊華峰對(duì)太陽(yáng)能熱電-光電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)、系統(tǒng)的集成拼裝及相應(yīng)的能量流動(dòng)進(jìn)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(yīng)用。國(guó)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(shí)間不長(zhǎng)，應(yīng)用還有待進(jìn)一步擴(kuò)大。但是從國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者們的研究成果來(lái)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(yǔ)

　　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(yáng)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(wú)工作介質(zhì)、無(wú)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，系統(tǒng)運(yùn)行成本相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低廉，可以提高光伏電站的能源利用率;同時(shí)減少污染物排放，對(duì)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(lái)關(guān)于光伏-溫差綜合發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用、開發(fā)與研究將會(huì)走上一個(gè)新臺(tái)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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