太阳能光伏—温差联合发电系统效率分析

郭瑞芳（银川能源学院 电力学院，银川 750105）

太阳能光伏—温差联合发电系统效率分析

郭瑞芳
（银川能源学院 电力学院，银川 750105）

太阳能光伏—温差联合发电是为了节约化石类能源、改善人类生存环境而提出的一种利用太阳能的发电形式。联合发电绿色环保，可以更大程度的利用太阳能，发电同时可保护光伏电池因温度过高而烧坏，因此联合发电系统的效率及其使用价值备受人们关注［1］，本文主要从能量角度对联合发电效率进行分析，找出影响联合发电效率的因素，并分析了目前人们所采取的提高效率的措施。

光伏—温差联合发电；效率；措施

1　太阳能光伏—温差联合发电系统效率分析

太阳能光伏—温差发电与传统发电相比优点诸多，唯独发电效率不理想，如何提高其效率受到了人们长期关注，下面从能量角度出发，计算分析影响光伏—温差发电效率的因素，为提高其发电效率提供理论依据。

1.1光伏—温差联合发电能量传递及转换的数量关系

光伏—温差联合发电过程是低品位能量向高品位能量转化的过程，其传递及转换过程示意图，如图1所示：

图1　

1.2聚光太阳能光伏电池效率

依据上图能量关系，根据能量守恒定律可得：

其中，Q 为经聚光装置聚光后输入光伏电池的能量；PPV为光伏电池输出的电功率；QPV为光伏电池工作时的能量损失；QH为光伏电池传到温差装置热端的热量。其中，C为聚光比；G为太阳辐射量；AC为电池板面积；βc为光伏电池的填充因子；、为光伏电池、tedlar膜的吸收率。

光伏电池在工作过程中主要以辐射和对流的方式与周围环境进行热量交换的，故其热量损失可表示为：

其中，ε为光伏电池表面发射率；δ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；Tp为光伏电池表面温度；Ta为所处环境温度；h为对流换热系数。

忽略传热损失，光伏电池以导热的方式传递给温差发电片热端的热量为：

其中，λ为导热系数；AH为温差发电片的面积；δ为厚度；Th为温差发电片热端温度。

光伏电池的输出功率为：

其中，ηe为参考温度为298K时的光电转换效率；φc为太阳能电池的温度系数。

光伏电池的发电效率为：

通过实验进行测量，将已知数据和测量数据代入式（1-5）、（1-6）得出表面温度Tc对效率ηPV的影响，结果见图2。

图2

由上图得出，对同一材料的光伏电池，电池板表面温度Tc对发电效率的影响是较大的，表面温度越高，发电效率越低。当联合了温差发电后，可以有效降低光伏电池板的表面温度，提高效率。

1.3温差发电装置效率

依据图1关系，由温差发电模块热端吸收的热量QH和冷端放出的热量QL分别表示为［4］：

其中，α为赛贝克系数；ITE为模块所需工作电流；k温差发电模块热传导系数；Ri为内阻；Tl为温差发电模块冷端温度。

温差发电模块的输出功率为：

温差发电模块的工作效率为：

从上式可得出影响温差发电效率的因素有优值系数Z，温差发电模块冷热端温差（Th-Tl）及负载等，当负载为定值时，效率与温差关系如图3所示。

从图3可看出，随着温差的增大，效率呈直线趋势增加，故提高效率可从温差入手。

图3　

温差一定，优值系数Z 与负载对效率的影响如图4 所示

其它条件一定是，优值系数Z 越大，温差发电模块效率越高；负载对温差发电模块效率的影响随优值系数的不同，结果也不同，但每一优值系数存在最佳负载，使模块工作效率达到最大。

图4　

1.4太阳能光伏—温差联合发电装置输出功率及效率

将以上公式联立求解，既得联合发电装置的输出功率及发电效率。从式（1-14）可得出，投入能量一定时，光伏发电和温差发电任一部分的功率大小都会影响联合发电的效率［5］。基于以上计算，关于联合发电效率的提高作一点分析说明。

2　太阳能光伏—温差联合发电发展前景及提高效率的几点分析

太阳能光伏—温差联合发电与传统发电相比，具有许多优点，如提高了太阳能发电的效率和寿命，方式灵活，可将低品位能量转化为高品位能量，对能源利用率高，生产过程中无化学反应，对环境污染小，且整体装置结构简单、体积小，移动、运输方便，装置无运动部件，无噪音，维护运行方便等。随着人们对环境保护意识的逐渐增强，这种发电终将代替一些效率低、污染严重的传统发电［6］，在能源领域发挥重大作用。

然而，从当前来看，太阳能光伏—温差联合发电主要停留在理论及实验阶段［7］，最主要原因就是该发电方式的效率问题。太阳能光伏—温差联合发电效率比较低，一般在20%左右［8］，因此提高太阳能光伏—温差联合发电效率十分有必要。

由前面的计算部分可以得出，影响太阳能光伏—温差联合发电效率的因素既有光伏发电的，也有温差发电的，但对于光伏发电来说，随着技术水平的提高，沿着原有技术方向继续提高常规太阳电池效率需要花费更大精力和财力［9］，世界太阳电池最高效率从22%提高到23.3%，从23.3%提高到25%，各花了10年时间，太阳电池效率每提高一点都是很困难的。因此，从目前来看，要提高太阳能光伏—温差联合发电效率，从温差发电部分提高的空间相对大一些。

忽略掉光伏发电部分的影响因素，从温差发电角度考虑，从图3和图4可以得出优值系数Z ，温差发电模块冷热端温差（Th-Tl）对效率的影响。故提高联合发电效率的措施有：

（1）提高温差发电模块材料的优值ZT。优值是衡量热电转化效率的组要参数，人们在积极寻找优值系数较高的材料来提高发电效率，Bi2Te3的ZT值大约为1，目前主要研究的热电材料有：纳米热电材料、超晶格薄膜热电材料等。

（2）增大温差发电模块的冷热端温差。采用良好的冷却方式，降低低温端温度。如采用纳米流体冷却等。

3　结论

通过对太阳能光伏电池、温差发电模块及太阳能光伏—温差联合发电进行计算分析，找出了影响发电效率的因素。对联合发电效率进行分析，收集了目前人们提高发电效率采取的主要措施。

［1］邓华.太阳能光伏-温差混合系统发电的研究［D］.江西：南昌大学，2015.

［2］吴双应，吴莹莹，肖兰.环境风下光伏—温差发电系统耦合特性分析［J］.工程热物理学报，2015，36（7）：1528—1532.

［3］Rowe D M.CRC Handbook of Thermoelectrics［M］.London，NY，USA:CRC Press，1995.

［4］郭常青，闫常峰，李文博等.太阳能光伏/温差复合发电系统效率分析［J］.电源技术，2012，36（10）:1474—1477.

［5］赖相霖，肖文博，黄苏华等.聚光光伏与温差联合发电装置的研究［J］.物理实验，2012，32（05）:0017—0020.

［6］王立舒，梁秋艳，李琳等.聚光太阳能温差发电装置性能分析与试验［J］.农业工程学报，2015，31（24）:64—71.

［7］李漾，郑少华，李伟光.太阳能温差发电技术的研究现状［J］.研究与开发，2015，44（02）:74-78.

［8］杨晶晶，刘永生，房文健等.具有负反馈特征的光伏—温差联合发电模型与效率分析［J］.上海交通大学学报，2013，47（04）:0550—0555.

［9］王立舒，李琳，梁秋艳等.温室聚光光伏/温差联合发电系统的设计与性能试验［J］.农业工程学报，2015，31（14）:8—15.

［10］刘永生，谷民安，杨晶晶等.太阳能光伏—温差发电驱动的新型冰箱模型设计与热力学分析［J］.物理学报，2010，59（10）:7368—7373.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.043

银川能源学院校级科研项目（项目编号：2014—KY—Z—02）

郭瑞芳（1984-），内蒙古呼和浩特人，本科，助教，能源动力类相关教学科研。