光伏温差复合发电技术研究

　　全球能源危机、环境恶化、资源短缺及燃料价格的波动给人类的生存和发展带来威胁，世界各国开始重点关注可再生能源的开发与应用。太阳能是一种稳定且用之不竭的清洁绿色能源。在光-电转换过程中，一部分波长的光可用于光电转化，而其余波长的光则转化为热能，引起太阳能电池板发热，直接影响了太阳能电池的效率和寿命。基于Seebeck效应的温差发电技术可以解决该问题，利用太阳能电池板的余热进行温差发电。根据能量守恒定律，热能转化为电能，同时降低光伏电池板的表面温度。文章综述了光伏-温差发电技术的国内外研究进展，最后指出光伏-温差复合发电技术可提高能源利用率，降低成本。

　　能源是世界上所有国家赖以生存及经济繁荣的最重要的话题。化石燃料依然在大多数国家占主要能源。然而由于过度开采，使得化石燃料储量迅速减少，而面临枯竭。化石燃料燃烧产生CO2形成温室效应，加剧全球变暖。世界各国越来越关注可再生能源的利用和发展。太阳能是最最具代表性的可再生清洁环保能源，是其他形式的能源的基础，也是被开发最多的可再生资源。地球每天从太阳大约接收1.2×105MW的能量，太阳能具有最原始可靠、最容易获得、可持续发展等特点，具有巨大潜力，可满足世界日益增长的能源需求。

　　能源论文范例： 非成像聚光太阳能集热器供暖应用研究

　　光伏发电具有无污染、无噪声、不消耗燃料等优点，展现了可持续发展理念，近年来充分得到应用与发展。利用半导体材料进行光-电转换的光伏电池，当太阳光或其他光照射到光伏电池表面时，光伏电池内的半导体电荷分布状态将发生变化，于是产生电动势和电流，通常这种现象称为光伏效应，产生的电压即光生电压。单晶硅和多晶硅光伏电池是目前世界上应用最广泛，其总产量约占太阳能电池产量的80%。光伏电池的光电转换效率主要决定光伏发电的转化效率。从理论上来看，晶体硅光伏电池的光电转换效率接近30%。

　　在光-电转换过程中，一般来说，波长为200~800nm的光用于光电转化，而其余波长的大部分的光则转化为热能，这部分光引起太阳能电池板发热。由于太阳能电池的输出特性随着温度的变化而变化，且光伏组件内部产生的热量，导致光伏组件表面温度升高，这不利于光伏电池板的的效率和寿命。

　　在西北地区得到夏季，由于太阳的照射强烈，太阳能电池板的表面温度可达到比环境温度高36℃以上，这对太阳能电池板的安全非常不利，天长日久太阳能电池板表面会“变黄”，甚至开裂。采用温差发电正好可以解决该问题，将将光伏电池板作为温差发电片的热端，环境温度作为冷段。安装在光伏电池板背板的温差发电片吸收太阳能电池板的热量，进行温差发电，一方面可降低光伏电池板的温度，另一方面额外有电能的输出。

　　光伏-温差复合发电系统的型式目前光伏温差复合发电系统的型式主要有两种：热电-光电复合发电系统和聚光集热式太阳能温差发电系统。以下分别分析这两种发电系统型式。热电-光电复合发电系统将基于太阳能热电技术与光电转换进行集成称为热电-光电复合发电系统，又称为太阳能全光谱(200～3000nm)直接高效发电技术。太阳能热电-光电复合系统包括聚焦子系统、热电子系统、分光子系统和广电子系统。利用聚焦子系统将太阳光聚焦，在某一波长处，利用波长分离器将聚焦后的太阳光的波长分开。将波长较短的光用于光伏的电发电，波长较长的光产生热量后用于温差发电。采用该技术，可使整个太阳光光谱的光都能被充分利用，从而提高光伏电站的发电效率。

　　聚光集热式太阳能温差发电系统聚光集热式太阳能温差发电装置是通过聚光集热装置(通常采用抛物槽式)聚集太阳能，将太阳光热能汇聚于半导体温差发电的热端，使半导体温差发电装置的热端温度升高，形成发电的高温端，另一端敷上管道，在管道中通过水泵驱动循环水进行冷却。在半导体温差发电装置的两端形成温差，进行太阳能热发电。产生的电能通过直流稳压电路由蓄电池存储。另外冷却水吸收温差发电片冷端的热量的同时的水温升高。升温后的热水可用于提供生活用热水、沐浴等。国内外研究现状国外光伏发电技术起步较早。1839年，贝克勒尔首次通过实验观察到光生伏特效应。目前，光伏发电技术已获得长足的发展，全世界光伏发电装机容量已经超过500GW。

　　Vorobiev等首次提出了将半导体温差发电材料和光伏发电结合在一起的概念。vanSark利用半导体温差发电机(TEG)收集光伏系统产生的废热进行发电，并对PV-TE系统进行简化处理，使用简单模型进行了性能分析。Najafi和Woodbury对装有肋片的PV-TE系统建立了比较全面的传热模型，对PV-TE系统进行了仿真模拟，并实验研究了夏季时系统的工作性能，Liao等获得了聚光式PV-TE系统最大电能输出时的负载匹配值。Deng等的数值模拟结果表明，在PV-TE系统中增加集热装置可使光伏电池和温差发电模块的性能有所提高。Yang和Yin对采用水冷方式的PV-TE系统的实验结果表明，由于温差发电的低效率使得PV-TE系统并没有表现出较大的优势。

　　DengY等人采用有限元方法模拟了温差发电模块的温度场，得到其温度分布，其结果为光伏-温差混合系统的总输出功率是单一光伏发电输出功率的两倍，系统可使光电转换效率有效得到提高，同时太阳能光谱的应用范围得以拓宽。Chavez-UrbiolaE.A等人研究了在太阳能混合动力系统中应用温差发电模块的可能性。其结果表明：随着温度的升高，在光伏发电系统中引入温差发电模块，系统的发电效率会随之升高，且温差发电模块的效率几乎与板间的温度差成线性关系，因此光伏电池板随温度升高而损失的能量也逐渐减少。JuX等人设计了一种分光谱的光伏-温差混合发电系统，实验研究了其光学性能。其结果为：当聚光比为550~770、换热系数为300～4500W/m2·K时，该分光谱的光伏-温差混合发电系统具有优良的电学性能。

　　B.Lorenzi等建立了PV-TE混合发电系统的数学模型，根据模型计算出PV-TE的性能随参数变化的关系，并进一步指出PV-TE混合发电系统存在的问题及展望。2005年，武汉理工大学和新能源研发部门(日本)共同开展研究，进行了多年的科技攻关，最终研制出世界上首例千瓦级的PV-TE发电系统。根据波长的不同，采用波长分离器，PV-TE发电系统将太阳光进行分离。

　　分离后太阳光分为两个波段：200~800nm和800~3000nm，不同波段的光实现热电联产。将200~800nm波段的光主要用于光伏发电;而800~3000nm波段的光用于产热进行温差发电，实现了太阳光的梯级利用，提高了太阳光的利用率，并在此基础上对其效率进行了相关分析。赵在理基于能量分析的基础，建立了太阳能热电装置理论模型，在模型中引入了有效功“火用”的概念，根据模型计算了热电装置的相关参数对热电效率和火用效率的影响规律。

　　张宁研究结果表明：太阳能热电系统的输出功率、效率与热端和冷端接触层热导率成正比关系，然而与器件热导率成反比关系。器件热导率的影响远远大于接触层热导率的影响。杨华峰对太阳能热电-光电复合发电系统的能量流动、系统的集成拼装及相应的能量流动进行了分析。综上所述，目前光伏发电技术趋于成熟，工程上已有大规模的应用。国内外关于光伏发电的PV-TE混合发电系统的研究时间不长，应用还有待进一步扩大。但是从国内外研究学者们的研究成果来看，光伏发电的PV-TE混合发电系统是一种比较有发展前景的光伏发电模式。

　　结语

　　光伏发电技术和温差发电相结合，采用温差发电技术回收利用太阳能电池板的余热，没有投入额外的能源，主要的成本为一次性的系统设备制造与安装成本。温差发电技术无工作介质、无运动转动部件，系统运行成本相对来说比较低廉，可以提高光伏电站的能源利用率;同时减少污染物排放，对环境的改善十分有利。随着全球的环境日益恶劣，以及人类追求美好生活的愿望逐渐加剧，未来关于光伏-温差综合发电系统的应用、开发与研究将会走上一个新台阶。

　　作者：郑发松1 王翔1 金家文1 王启坤1 梁发向1 马昕霞2

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