聚光太阳能光伏/温差热复合发电系统设计与性能测试

王立舒，冯广焕，张 旭，孙士达，李欣然

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

0 引 言

太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，具有巨大的潜在利用价值，可以为人类提供取之不尽的能源，其利用已成为新能源领域的研究热点[1-2]。光伏发电是太阳能利用的主要形式之一，低效率和高成本是制约光伏产业发展的主要屏障。光伏电池可吸收80%的太阳辐射，但不能完全转化为电能，转换效率取决于所使用的光伏电池技术[3-4]。太阳辐射的其余部分能量全部转变为热能，使得其工作温度通常都在50 ℃以上[5]。这种多余的热量会使光伏电池温度升高，从而导致光电转换效率降低[6-7]，甚至高温下光伏电池出现自燃、安全性能下降等问题。

为了解决光伏电池温度升高效率降低等问题，国内外已经开展许多有益的研究。目前，普遍采取的解决办法是对光伏电池进行散热，散热方式通常有 3种，分别为对流冷却、相变材料降温以及水冷散热[8-9]。文献[10-11]应用空气流提供强制对流来冷却光伏电池的温度，使电效率提高12%。文献[12]使用低温石蜡与聚乙二醇作为相变控温材料降低了光伏电池温度，并证明电力的增长可能超过 30%。文献[13-16]采用水冷散热的方式提高输出功率。以上研究的共同问题是在提高发电效率时没有考虑将光伏发电系统、温差发电系统产生的多余热量储存进行热利用，从而导致能源利用率降低。针对此问题，本文设计了一种抛物型聚光器聚光、光伏电池发电、热管内水对流传热的一种聚光太阳能光伏/温差复合发电系统。通过对太阳辐照强度、冷却水流量等参数对光伏/温差复合发电系统运行温度、输出功率、输出效率的影响进行分析，搭建了试验平台，并对该系统性能进行测试研究。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统组成与工作原理

基于文献[17-18]的聚光太阳能温差发电装置与槽式聚光集热吸收器采用三角形腔体具有良好热效率的思想[19]，本文提出了具有三角形热管结构的聚光太阳能光伏/温差复合发电系统。

该聚光太阳能光伏/温差复合发电系统（简称复合系统）主要由抛物型聚光器、光伏电池，三角形热管、热电模块（thermoelectric module，TEM）、储热箱及热交换器组成，系统结构示意图如图1所示。如图1a所示，该系统利用太阳光照射在抛物型聚光器表面，经反射后聚集到光伏电池上。光伏电池吸收光能将小部分能量转化为电能，其余大部分转化为热量，热量通过光伏电池传递给温差电池热端，利用水作为冷却剂流体在热管内部流动，降低温差电池冷端温度，由塞贝克效应产生电能。同时将多余热量转移到热管冷凝段上，储存到储热箱进行热利用，作为理想工作流体的水通过流量计控制流量。如图1b所示，三角形热管结构的中间部分为等边三角形导管，三角形导管顶端覆有保温层，两侧由内而外依次贴有温差电池和光伏电池。

图1 聚光太阳能光伏/温差复合发电系统的结构示意图Fig.1 diagram of concentration solar photovoltaic(PV)/thermoelectric(TE) compound power generation system

考虑采用砷化镓电池会对农作物有污染，而单晶硅与多晶硅相比成本较高，所以本文采用多晶硅光伏电池，借鉴文献[17]中的经验将电池尺寸制定为 700 mm×60 mm×2.3 mm。为了提高光伏电池的发电量，选取抛物型聚光器进行聚光，聚光镜的光孔820 mm，长1100 mm，焦距300 mm，理论聚光比14；光线垂直入射时光伏电池的光线吸收率达到98.20%[20]。当太阳位置变化时，会改变聚光器的太阳光入射角，光线吸收率及系统光学效率逐渐降低，这将直接影响聚集到光伏电池表面辐照强度的强弱，所以将步进电机转轴与反射聚光镜的中轴连为一体，设置为南北方向，在竖直面内东西方向转动使聚光器跟踪太阳[21-25]。

本文系统采用14个材料为锑化铋的半导体热电模块串联，尺寸为40 mm×40 mm×3.9 mm，为获得更高的传热性能，用硅酮胶将温差电池热端粘贴在光伏电池背板，冷端粘贴在三角形热管表面。所选定的光伏电池及温差电池性能参数如表1所示。

1.2 三角形热管

三角形热管由厚度为0.4 mm的镀锌铁制成，以降低热阻。根据试验考虑，选择三角形热管的尺寸为 700 mm×60 mm（长×宽），其中蒸发段为600 mm×60 mm（长×宽），冷凝段为100 mm×60 mm（长×宽）。

太阳辐射光经过聚光器聚光反射到光伏电池表面，被吸收的太阳能一部分直接转化为电能，其余被转化为热量并使光伏电池表面温度升高。通过在光伏电池背板粘合温差电池，利用温差电池内部的塞贝克效应将光伏电池表面流向冷却热管热量的一部分再次转化为电能，剩余的热量由热管内循环的冷却水传递到储热箱中储存。

表1 光伏电池和温差电池参数Table 1 Parameters of PV cell and TE cell

2 系统能量转换与分析

2.1 电能转换分析

经聚光器聚光后光伏电池吸收的太阳能[26-27]见式（1）。

式中G为太阳能直射辐射强度（direct normal irradiance，DNI），W/m2；A为聚光镜面积，m2；optη为光学效率，取72%[18]。光伏电池将吸收的太阳能一部分转换为电能，W，其发电功率见式（2）。

式中gτ为玻璃盖板透射率，α为光伏电池吸收率，pA为光伏电池表面积，m2；pvη为光伏电池的光电输出效率，其表达式见式（3）。

式中p0η为光伏电池在标准工况下的发电效率[28]，β为光伏层效率温度因素，Tp为光伏电池表面温度，Tp0为环境温度，K。

温差电池发电功率[29]见式（4）。

式中TEMα为温差电池的塞贝克系数，V/K；Th为温差电池热端温度，Tc为温差电池冷端温度，K；L2R 为温差电池负载电阻，TEMR 为温差电池的总内阻，Ω。温差发电效率为[30]见式（5）。

式中Qh为光伏电池产生的热能，J。

复合系统发电的总功率Pcom见式（6）。

考虑光伏电池实际工作中太阳辐照强度和环境温度变化对效率的影响，引入效率变化辐照强度参数 k1、效率变化温度参数k2[30]，k1、k2取值范围均为0～1，其值根据试验当天测得的太阳辐照强度和环境温度设定，则复合系统电转换效率comη见式（7）。

2.2 热能转换分析

为了计算聚光太阳能光伏/温差复合发电系统的热损失，基于热网络法建立热能量流动图，如图 2所示。为便于分析，热管与空气之间的热辐射损失及温差电池侧面与环境之间的热辐射损失忽略不计[31]。

图2 聚光太阳能光伏/温差复合发电系统的热能量流动图Fig. 2 Thermal energy circuit diagram of concentration solar PV/TE compound power generation system

光伏电池将吸收的太阳能一部分转换为电能，另一部分以热能Qh的形式存在于光伏电池表面，见式（8）。

由于光伏电池与外界空气接触存在热对流与热辐射，则对周围环境的散热损失见式（9）。

式中Qrad为光伏电池与环境空气的热辐射换热量[32]，Qcom为热对流换热量[33]，J，其表达式分别见式（10）、（11）。

式中 hrad为热辐射换热系数，hcom为热对流换热系数，W/(m2·K)。

该系统光伏电池表面热量的一部分用于提高温差电池热端温度，产生电能，则温差电池产生电能所消耗的热量见式（12）。

温差电池与热管蒸发段间热阻损耗的热量见式（13）。

式中czR 为温差电池与热管蒸发段热阻，K/W；zT为热管蒸发段温度，K。

热管传热过程中由于自身热阻损耗的热量见式（14）。

式中lT为热管冷凝段温度，K；hpR 为热管自身热阻，K/W。

系统产生的可利用热能见式（15）。

复合系统的热效率见式（16）。

2.3 㶲效率分析

㶲是以环境为基准来衡量工质（气体、液体为主）做功能力的物理量。热效率只反映系统收集的热量在量上的比例，而㶲效率反映了所收集到热量的品质，即可用能。系统的㶲效率见式（17）[32]。

式中ΔE为系统得到的㶲，W/m2；Tsun为太阳温度，℃；Tin为热管进口温度，Tout为热管出口温度，℃；m为热管内水质量流量，kg/s；cp为传热流体比热容，J/(kg·℃)；φ为系统的㶲系数。

系统得到的㶲见式（18）。

式中h1为热管进口的比焓，h2为热管出口的比焓，J/kg；s1为热管进口的比熵，s2为热管出口的比熵，J/(kg·℃)。

2.4 系统仿真结果与分析

根据表 1中的性能参数及试验当天所测的环境温度Tp0、光伏电池表面温度Tp、太阳辐照强度G等数据运用ANSYS有限元软件建立光伏电池三维温度场模型，模拟温度场分布情况；将温度场分布规律及热辐射换热系数hrad、热对流换热系数hcom构建光伏电池的热损失数学模型，绘出光伏电池表面温度与热损失的变化曲线。

图 3为太阳辐照强度变化对光伏电池性能的影响。当环境温度 Tp0在 254.52～261.64 K，太阳辐照强度在308.22～768.12 W/m2范围变化时，从图3a光伏电池的模拟温度场分布规律中可以看出，光伏电池表面温度从高温端363.86 K开始呈阶梯变化，逐渐减小至275.12 K。

由图 3b光伏电池表面温度与热损失的变化曲线可知，在300～800 W/m2范围内，光伏电池表面温度随辐照强度的增加而升高,同时，热损失从 17.59%持续增加到24.62%。由公式（10）-（11）可知，光伏电池与环境空气间存在辐射换热，对流换热。2种热损失与光伏电池表面温度成正比关系，所以随着表面温度升高，热损失持续增加。

图3 不同太阳辐照强度下光伏电池性能的变化Fig.3 Variation of performance for PV cell with different solar radiation intensity

3 聚光太阳能光伏/温差复合发电系统性能测试

3.1 系统测试及装置参数

使用太阳能发电监控系统对复合系统中各组件输出功率和太阳辐照强度等进行在线监测，用K型热电偶测量光伏电池运行温度、温差电池热端和冷端温度，用数字温度计测量环境温度、冷却管道进口/出口的温度。流量计调节并读出冷却水流量。通过 NI-USB-6211数据采集卡与电脑联机，对采集的数据进行拟合。为了提取光伏电池的特性曲线，用滑线变阻器作为发电系统中的负载，所用测试仪器参数如表2所示。

表2 测试仪器参数Table 2 Parameters of test instruments

3.2 测试方法

根据北方气候特点，在哈尔滨市东北农业大学（45°72′N，126°68′E）园艺站进行试验。考虑实验室设备有限，为追求较高聚光效果，采取人工调控聚光器角度的方法使聚光镜跟踪太阳。该系统采用聚光器聚光，聚光镜的镜面具有反射效果，所以通过聚光镜中的镜像对试验各部分装置进行标识，如图4所示。

图4 聚光太阳能光伏/温差复合发电系统测试Fig.4 Concentration solar PV/TE compound power generation system test

为了对2017年6月1日至2018年5月31日不同月份进行试验测试，根据天气预报，选取每个月份天气晴朗、无风、光线好的一天进行试验测试。由于东北地区冬季光照时间较短，为了全年的数据对比采集，所以测试时间选为试验当天的09：00-15：00，历时6 h。试验主要测量数据包括光伏电池输出电压U，工作电流I，太阳辐照强度G，环境温度Tp0，热管进口温度Tin，热管出口温度 Tout，光伏电池表面温度 Tp，温差电池热端温度Th，冷却水流量qm。根据测得参数对聚光太阳能光伏/温差复合发电系统与无聚光光伏温差混合发电系统（简称无聚光系统）分别在不同太阳辐照强度和水流量条件下的运行温度、输出功率、输出效率进行对比试验研究。

3.3 试验结果与分析

由于东北地区冬季时间较长，且温度较低，所以选取冬季的试验进行主要分析。试验当天测试了该复合系统及无聚光系统在不同太阳辐照强度和水流量条件下的温度、输出功率及效率等性能参数。

冷却水流量是影响该复合系统电效率和热效率的重要因素之一，在全天6 h的试验中，通过流量计调控7组水流量（2～8 L/min），得出复合系统与无聚光系统电效率和热效率的变化趋势如图5所示。

图5 不同水流量下系统效率的变化Fig.5 Variation of efficiency on system with different water flow quantity

由图 5可知，复合系统和无聚光系统电效率与热效率在2～5 L/min范围内均随冷却水流量的增加而升高，且复合系统电效率最高为20.98%，热效率最高为39.81%；5～8 L/min范围内，趋于稳定。主要是因为水流量越大，换热系数越大，电效率与热效率提高较快。但由于复合系统热量有限，即使水流量继续增加，复合系统的电效率与热效率仍趋于稳定。

图6为测试当天环境温度及太阳辐照强度随时间变化曲线，环境温度Tp0在254.52～261.64 K，太阳辐照强度在308.22～768.12 W/m2范围内变化。由图6可知，在12：00-13：00期间环境温度与太阳辐照强度均达到过最大值。由图5可知，复合系统和无聚光系统的电效率与热效率在5 L/min时达到最大值，因此试验时利用流量计控制冷却水流量为 5 L/min，用温度计测得进口水温度为276.42 K。

图6 不同时刻下环境温度和太阳辐照强度的变化Fig.6 Variation of ambient temperature and solar radiation intensity with different time

通过式（17）-（18）及上文所测试验数据，可得到该复合系统在不同太阳辐照强度及温差条件下的㶲效率曲线，如图7所示。

图7 不同温度差值下复合系统㶲效率的变化Fig.7 Variation of exergy efficiency on compound system with various temperature difference

由图 7可知，对不同的太阳辐照强度，系统的㶲效率随温差变化曲线趋势相同，系统的最优运行温度及最高㶲效率随太阳辐照强度的降低而减小。当辐照强度为700 W/m2，系统的最优运行温度约为91 ℃，对应的最高㶲效率为32.5%；而当辐照强度为400 W/m2时，系统的最优运行温度约为52 ℃，对应的最高㶲效率为23.5%。

为验证该复合系统的电功率与电效率均大于单一光伏、温差发电系统，本文对复合系统及复合系统所采用的光伏电池和温差电池进行对比试验，得出光伏电池、温差电池及该复合系统在相同冷却水流量及进口水温度条件下的电功率与电效率随测试时间变化的曲线，如图8所示。

图8 3种发电方式输出功率和效率的对比Fig.8 Comparison of output power and efficiency for three kinds of power generation method

由图 8可知，在测试时间内，复合系统的电功率与电效率均大于光伏电池与温差电池，3种发电方式的效率变化趋势相似，且在 11：10-12：20时间段内达到最大值。

考虑单独光伏电池发电和温差电池发电与无聚光系统相比结构简单，研究较多，所以本文主要对比分析复合系统与无聚光系统。在相同环境温度、太阳辐照强度下，分别对复合系统和无聚光系统的运行温度进行对比测试，运行温度的对比曲线如图9所示。

图9 复合系统与无聚光系统运行温度的对比Fig.9 Comparison of operating temperature between compound system and without concentration system

由图 9可以看出，在测试时间内，本文所设计的复合系统运行最高温度可以达到49.38 ℃，相同测试条件下无聚光系统运行最高温度可以达到29.67 ℃，说明聚光后复合系统中的光伏电池具有更高的温度。

图10为复合系统和无聚光系统的输出功率和效率的对比。

图10 复合系统和无聚光系统输出功率和效率的对比Fig.10 Comparison of output power and efficiency between compound system and without concentration system

由图10a可以看出，复合系统输出电功率为59.7～92.9 W，运行6 h平均功率为76.3 W，发出电量457.8 W·h。去除热损失，获得可利用热功率最高为158.73 W，而无聚光系统输出电功率在24.2～33.5 W范围内变化，平均功率为28.85 W，发出电量173.1 W·h，最终获得平均热功率为86.5 W。复合系统与无聚光系统相比较，电功率比热功率提高较多，由公式（2）、（4）可知，由于复合系统利用聚光器聚光，光伏电池所受光照强度增强，温差电池热端温度升高，使复合系统电功率增加。

由图 10b可以看出，复合系统与无聚光系统的电效率均是先增加后减少，在 12：00-13：00期间达到最大值，而热效率变化平稳，原因是光伏电池电效率随太阳辐照强度增加而增大；当到达一定辐照强度时，光伏电池表面温度不断升高，其输出效率随之降低、产生热量增加。在测试时间段内，复合系统相较无聚光系统的电效率提高14.27%，热效率提高15.71%。该试验结果证明了复合系统的电/热效率与无聚光系统相比均有所提高。

表3为系统在2017-2018年四季的电/热效率变化情况，由表 3可以看出，在同一季节，辐照强度、环境温度分别在最接近的环境下，不同的水流量，复合系统和无聚光系统的电效率与热效率变化趋势一致，在水流量为5 L/min时电效率与热效率达到最大值。此时，春、夏、秋、冬四季复合系统最大电效率分别为21.01%、21.99%、21.11%、20.98%；最大热效率依次为40.16%、43.78%、42.79%、39.81%，其中电效率与无聚光系统相比，增大了约 3倍，说明该复合系统适用于全年的温度环境。利用三角形热管内的水进行热传递，导热效果较好，使系统发电效率在春、夏、秋、冬四季均有所提高，最高分别可达 13.35%、13.1%、12.79%、13.53%。系统的电效率与热效率随季节的变化而改变，在夏季最高，冬季最低。

表3 不同季节（2017-2018）系统电/热效率的变化Table 3 Variation of electrical/thermal efficiency on system under different seasons(2017-2018)

4 结 论

本文提出聚光太阳能光伏/温差复合发电系统的设计，利用抛物型聚光器聚光，光伏电池产生电能和热能，热能一部分为温差电池热端提供热源，利用三角形热管内的冷却水使温差电池冷端散热，进行复合系统的二次发电；另一部分由冷却水对流将热量传递到储热箱中储存。针对该系统建立数学模型并在哈尔滨地区对其可行性进行全年试验验证，得出以下结论：

1）该聚光太阳能光伏/温差复合发电系统利用抛物型聚光器，对太阳辐射光起到汇聚作用，提高了光照强度，使复合系统发电功率和效率均高于无聚光系统。利用三角形热管内的水进行热传递，导热效果较好，使系统发电效率在春、夏、秋、冬四季均有所提高，最高分别可达13.35%、13.1%、12.79%、13.53%。

2）在全年测试该复合系统性能期间，系统的电效率与热效率随季节的变化而改变，在夏季最高，冬季最低。而在冬季效率最低的情况下，系统最大电效率可达20.98%，最大热效率可达 39.81%，最大㶲效率可达32.5%。聚光太阳能光伏/温差复合发电系统基本可以实现为温室内环境监测系统、照明设备供电，并能为作物生长提供部分热能。

3）与已有的发电系统相比，聚光太阳能光伏/温差复合发电系统发电量较大，表现出较优的发电性能。可为温室内环境监测系统、照明设备提供电能。同时，系统产生多余热能可以储存，为温室作物生长提供部分热能，实现太阳能利用最大化，因此该系统在太阳能综合利用方面有较大的优势。