光伏热电耦合器件中热电模块负载对整体性能的影响

张 佳, 吴子华, 谢华清, 王元元, 赵 诚, 翟 涵

(上海第二工业大学 环境与材料工程学院,上海201209)

0 引言

能源短缺一直是制约国家经济和社会发展的主要问题,然而传统化石能源储量有限,并且化石能源燃烧过程中释放的化合物对大气环境会造成污染。在能源危机的背景下可持续能源研究的重要性日益凸显, 太阳能以其清洁无污染、储量丰富而备受关注[1-2]。光伏热电是基于光生伏特效应,将太阳能直接转化为电能的一种发电技术。然而, 光伏电池(PV) 对太阳光谱的利用存在局限性, PV 实际只能将紫外光和可见光的部分光谱转换为电能,红外光及其他部分的光谱全部转换为热能[3-4]。转换的热能使得PV 温度不断上升,进而降低PV 的性能[5-6]。热电发电是近年来备受关注的新型发电技术,它利用半导体材料的热电效应,将热能直接转换为电能,具有无污染、无需运动部件等优点[7-8]。许多学者对PV 与热电模块(TEG) 耦合进行了探究。Deng等[9]采用实验与理论模拟相结合的方式,探究了光伏热电耦合器件(PV-TE)输出情况, 实验结果表明耦合器件产生的电能是纯PV 的两倍。Park 等[10]通过实验研究了一种无损耦合,结果表明当温差达到15 ℃时耦合器件效率可达30%。Pang 等[11]设计了光伏热电耦合的实验系统,并搭载翅片散热器作为冷却装置。结果表明,相同冷却条件下,PV-TE降低了8.29 ℃,而纯PV 降低6.49 ℃,耦合TEG 有利于PV 散热。殷二帅等[12]构建了PV-TE 理论模型, 对耦合器件进行了热阻分析和优化。众多研究成果表明, PV 与TEG 耦合使得PV 产生的余热可以作为TEG 的热源,实现了能源的梯级利用。然而,PV 与TEG 耦合的机制是较为复杂的。基于PV 和TEG 的工作原理,它们对温度的要求不同,高温会提升TEG 的功率,但会衰减PV 的性能。因此,热量是影响耦合系统整体性能的重要因素。有学者对PV与TEG 的相互影响进行了探究。廖天军等[13]采用实验与理论相结合的方式对光伏热电耦合系统进行性能分析。他认为PV 输出电流增大时, TEG 输出电流反而减小,因为传递给TEG 的热量减小。有学者对PV 与TEG 相互影响的原因进行了更详细的研究。Lin 等[14]构建外接负载电阻的耦合器件模型,对负载电阻优化进行研究。结果表明,TEG 最优负载电阻随着入射光强的变化而变化。Wu 等[15]通过构建耦合器件理论模型,研究了TEG 对应的最优负载阻值。结果表明,纯TEG、耦合器件中TEG 和耦合器件整体效率最高时所对应的最优负载电阻值均不同,纯TEG 的最优负载阻值不能作为耦合器件整体性能最优的负载阻值使用。Li 等[16]采用理论模拟研究了纯TEG、耦合器件中TEG 和耦合器件整体效率最高的3 种情况所对应的最优负载电阻值随不同实验条件的变化,提出了优化建议。然而,他们的工作均基于理论模型的研究。TEG 负载不同电阻对耦合系统性能的影响还需通过实验进一步验证。本研究搭建了包含冷却装置的实验平台,测量不同光强下TEG 负载不同阻值时PV、TEG 和耦合器件整体效率的变化,以探究TEG 负载不同阻值对耦合器件的影响。

1 实验方法

PV-TE 由单晶硅PV 及碲化铋(Bi2Te3)TEG 组成, 然后将PV 和TEG 用乙烯- 乙酸乙烯共聚物(EVA)材料封装成为PV-TE。PV 和TEG 的结构参数如表1 所示。图1 为PV-TE 及测试系统示意图。在耦合器件运行过程中,入射太阳光透过EVA 材料照射到电池上, PV 将吸收的太阳光部分转化为电能,其余转化为热能。转化的热能部分通过热传导和热辐射透过EVA 材料传递给周围环境;其余的热能传递给TEG。传递给TEG 的热能部分通过热电效应转化为电能,其余部分同样通过热传导和热辐射散发到环境中。

表1 PV 和TEG 的参数Tab.1 Parameters of PV and TEG

图1 PV-TE 及测试系统搭建示意图Fig.1 Schematic diagram of PV-TE system and test system

恒温冷却系统由铜制散热模块、恒温浴槽、蠕动泵组成。散热模块与耦合器件底部使用导热系数为4.2 W/(m2·K) 的导热胶粘接, 以增强TEG 的散热[17-18]。本研究在恒温浴槽20 ℃的冷却条件下进行。使用光强计OPHIR NOVA II 测量入射光强。PV 与Keithley 万用表连接,测量伏安特性(I-V)曲线。为避免引线电阻对测量精度产生影响, 使用四线法[19],并计算最大功率(Pmax)、FF 及光电转换效率(η)。TEG 与定值电阻串联, 电阻两端并联Keithley2002 万用表测量负载电阻分配得到的电压, 并计算输出功率和η 以评估性能。标准电阻购买自上海澄洋仪器仪表有限公司, 以RTE-S表示。TEG 在其内阻与外阻相等或相近时TEG 输出功率最大[20-21]。已知TEG 内阻值为2 Ω。因此本研究中TEG 分别负载2、5 和10 Ω 定值电阻,标记为RL1、RL2、RL3。实验条件设置200 和300 mW/cm2两种辐照强度,标记为G1和G2。

PV 和TEG 输出功率分别由下式计算:

式中: (PPV)max为PV 的最大输出功率, mW;(IPV)max为PV 的最大输出电流, A; (UPV)max为PV 最大输出电压,V;PTE为TEG 的输出功率,mW;UTE为TEG 的输出电压,V;RTE-S为TEG 外电路的负载电阻,Ω。

PV 的FF 由下式计算可得:

式中: FF 为PV 的填充因子,UOC为PV 的开路电压,V;ISC为PV 的短路电流,A。

耦合器件总输出功率由下式计算:

耦合器件总光电转换效率由下式计算:

式中: ηPV代表PV 光电转换效率;ηTE为TEG 热电转化效率;G 为入射光强,A 为PV 面积。

在测量过程中,TEG 的电压数据均于耦合器件运行至稳态时采集, 且每秒记录一次。为保证实验数据的准确性,TEG 的电压数据均记录40 次然后取平均值,PV 的I-V 曲线均扫描10 次然后取平均值。所有实验均在室内环境为自然对流条件下进行。

2 结果与讨论

2.1 PV 的I-V 曲线随TEG 负载电阻值变化

图2 比较了不同光强下耦合器件中PV 的I-V曲线随TEG 外接负载电阻值变化。G1下, TEG 外电路负载RL2电阻时, ISC最高, 为0.40 A, 较电路负载为RL1时增长了2.65%,较外电路负载RL3时增长了3.12%。G2下,TEG 电路负载不同阻值时对PV 的输出几乎没有影响。两种光强下TEG 负载不同电阻对UOC均无影响,均为0.61 V。

图2 (a)G1、(b)G2 下PV-TE 中PV 的I-V 曲线随TEG 负载电阻值变化Fig.2 (a)G1 (b)G2 I-V curve of PV in PV-TE system varies with load resistance of TEG

2.2 PV 的Pmax 及F F 随TEG 负载电阻值变化

图3 比较了在不同光强下PV-TE 中PV 的Pmax和FF 随TEG 负载阻值的变化。TEG 负载不同电阻值时,PV 的Pmax和FF 基本相同,几乎不产生影响。例如G1下, 相比RL3电阻负载RL2阻值使得PV 的FF 仅提升0.48%。

图3 PV-TE 中PV 的(a)Pmax、(b)FF 随TEG 负载阻值变化Fig.3 (a)Pmax(b)FF of PV in PV-TE system varies with load resistance of TEG

2.3 光伏热电耦合系统中η 随TEG 负载电阻值变化

图4 比较了在不同光强下PV-TE 中ηPV、ηTE和ηPV-TE随TEG 负载阻值变化。与PV 的Pmax和FF 的变化趋势相同, G1下TEG 负载RL2, PV 效率最高,为5.45%;相比负载RL3提升了5.46%。G2下TEG 负载不同电阻对PV 几乎没有影响。如图4(b) 所示, 当外电路负载与内阻相等时(RL1), ηTE最高。G2下,ηTE为0.27%。光强增大后,ηTE随负载阻值的降低而提高,与Li 等[16]模拟研究结果一致。如图4(c)所示,ηPV-TE在TEG 负载RL1时最高。G2下,耦合器件的ηPV-TE为5.74%。虽然PV 在TEG 负载RL2时输出较好,但负载RL1时TEG 较高的输出足以弥补微小差距。

图4 PV-TE 中(a)ηPV、(b)ηTE、(c)ηPV-TE 随TEG 负载阻值变化Fig.4 In the PV-TE(a)ηPV (b)ηTE (c)ηPV-TE varies with the loading resistance of TEG

PV 输出特性受TEG 负载电阻影响可能是由于PV-TE 工作过程中, PV 和TEG 之间的热量传递产生的相互影响。TEG 负载不同电阻值改变了TEG的电能输出,引起热端温度发生变化。热端温度的变化可能利于提高TEG 输出,但对PV 性能产生消极影响, 因电池自身温度是影响PV 性能的重要因素。热电冷端保持恒定温度时,PV 产生的余热又会引起TEG 冷热两端温差的变化。TEG 依赖温差发电,进而影响到耦合器件整体电能和热能的输出占比。然而,这种相互影响是十分有限的。随着光强的提高,TEG 负载不同电阻值不影响耦合器件整体性能。相对地,入射光强和温度是影响PV 输出特性的重要因素,对耦合器件整体输出的影响更显著。

3 结 论

本研究搭建了包含恒温冷却装置的电学测试系统,测量了不同光强下TEG 负载不同电阻值时对PV、TEG 和耦合器件整体的输出影响。结果表明,TEG 负载不同电阻值对PV 及耦合器件整体输出仅在较低光强具有一定的影响,且十分有限。相对地,入射光强对PV 的输出影响更为显著。对于光伏热电耦合系统的外电路设计,负载电阻应遵循各自的最佳匹配电阻值以获得较高的输出功率。本文工作为PV-TE 的外电路优化设计进行了有益探索。