高效薄膜光伏温差发电系统的研究设计

黄励志

（安徽省阜阳市第三中学，安徽 阜阳236000）

1 研究背景

电对于人们来说是生活中最不可或缺的资源，无论是在通信、交通、娱乐、生产生活等方面都需要使用到电力资源，但目前在世界上还有很多国家的人仍因为各种因素用不上电，包括我国也存在着电力资源紧缺的问题。目前我国电力能源的来源主要有3 种，即火电、水电、核电和风力发电，目前还是以火力发电为主，在一定程度上导致了环境污染。此外也利用太阳能发电，传统的太阳能发电设备存在许多不足，如光线较分散时强度往往不够等。故本研究拟设计一个能够充分利用太阳能资源进行发电的高效、便捷、绿色的发电设备，解决我国电力资源短缺的问题。

2 研究目的

通过文献阅读了解现存的一些太阳能发电装置结构设计，经过反复实验验证，完成了高效薄膜光伏温差发电系统的设计搭建。该高效薄膜光伏温差发电系统能够根据现实中光线强度变化自动化、智能化的调整光伏温差发电结构的角度，通过菲涅尔透镜与光伏薄膜之间的距离，可以使其始终能够实现对太阳能的最大采集量，光伏薄膜同温差发电片搭配使用，实现资源的有效利用，同时自身对于温度的恒定作用，也能延长光伏薄膜的使用效率和使用寿命，为新能源发电技术的改进设计提供一个技术解决的方案。

3 研究思路

图1

4 研究结果

4.1 光伏薄膜发电技术

光伏薄膜发电就是利用半导体技术，直接将太阳光转化为电能。光子照射到金属上时，经过一系列的反应之后，将会形成光电子。与此同时，硅原子与磷原子和硼原子混杂会形成对应的N 型半导体和P 型半导体。当P 型和N 型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴由P 极区往N 极区移动，电子由N 极区向P 极区移动，形成电流。

图2 光伏发电的原理

如上所述，在光的作用下，产生一定方向一定大小的电动势的现象，叫做光生伏特效应，光伏薄膜的光电转换效率同光线强度大小有直接关系。光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。

目前薄膜太阳能电池具有：

（1）材料储量丰富、安全无毒；

（2）制备温度低、能量回收时间短；

（3）易于大规模自动化生产；

（4）生产成本低；

（5）较低的温度变化系数；

（6）应用方便等特点。

4.2 温差发电原理

温差发电技术是利用赛贝克效应实现的，因为材料的特殊性，当温差发电片两端温度不一致时，热端的电子就会向冷端发生定向转移，形成稳定的电势差，从而产生稳定的电流，温差发电片的发电效率与温差片两端温度差的大小有关。

图3 温差发电原理

4.3 发电系统设计

该装置主要由两部分组成，底座支架和光伏温差发电部分，在工作时能够智能化根据光线强度变化和温度传感器示数的改变进行角度和高度的调整，能够实时的对太阳进行追踪。同时为应对自然条件下太阳的定期运动的情形下能够获得充足的照射面，特将底座设计为能够进行自主调节的可移动便携式，可根据现实情况灵活的调节光伏温差发电部分的高度与仰角。菲涅尔透镜太阳光线变化是能够由核心控制器进行控制，自动化改变仰角和与光伏薄膜的距离，将最强光源始终聚集在光伏薄膜之上。光伏薄膜背面与温差发电片热端用导热性良好的硅胶进行粘接，以此来减小导热热阻。当光伏薄膜在太阳照射下产生作用将太阳能转换为电能时自身会产生一定的热量，从而温度升高，这时候温差发电片贴近于光伏薄膜一端相对于另一端温度升高，因此温差发电片开始工作，将热能转换为电能。发电设备在运行时会产生大量的热，长时间的高温运行会对光伏薄膜和温差发电片的运行产生损害，因此在温差发电片的冷端依次安装有相变散热装置和水冷降温装置，当位于光伏薄膜中央的温度传感器检测到温度的变化时，将数据信息传递给核心控制器，核心控制器改变电路状态。当温度升高时，核心控制器接通电路，在调整菲涅尔透镜高度的同时运转制冷散热设备。当温度回到正常状态时，电路回到正常状态。

图4 薄膜光伏及温差发电板

图5 配套结构设计

4.4 控制原理

本系统由薄膜光伏发电与温差发电两种发电方式进行结合，薄膜光伏发电产生的电能经由控制器、逆变器，将直流电转化成交流电可以输送给用户，同时也将一部分电能储存在蓄电池中。温差发电产生的电能经由升压模块升高电压也输送给蓄电池。系统菲涅尔透镜由温度传感器决定其温度，菲涅尔透镜的运动及温度传感器的控制以及太阳追踪结构电机的运动均从蓄电池中获得电能。

图6 控制原理

4.5 运用前景分析

本系统设计通过将光伏发电和温差发电进行系统结合，并利用菲涅尔透镜、温度传感器实现智能聚光提升系统发电效果，本系统可以替代部分太阳能设备的使用，如太阳能路灯、家用太阳能发电器等，也可替代产业化、集中发电的光伏设备，适应场景广泛化。

5 结论

光伏薄膜在发电时通过吸收太阳能，经过一定的物理转化，最终转化为电能供给外部用电器使用。但是目前存在着转化效率低、受环境因素影响、自动性低的特点，因此目前还没有在发电市场被很好的推广。通过设计改进将其与菲涅尔透镜相结合，菲涅尔透镜通过电路控制，可以智能化的进行调整，提升太阳能的接收，并且能起到隔离保护的作用。位于光伏薄膜背面的温差发电片，利用光伏薄膜表面的温度升高这一特性进行发电，提升整个系统能量转换的效率，并且为了控制设备内部温度以便保护设备，在其底部采取相变散热和水冷散热相结合的方式保持相对恒温。光伏薄膜与温差发电片的有效配合使用，提升了对太阳能的转化效率和经济实用性，为太阳能清洁电力转化设备的大规模使用提供了技术解决方案。

6 创新点

6.1 光伏发电与温差发电的结合，两种发电方式同时产生电能，提升对太阳能的利用率。

6.1 以太阳能薄膜为主要光伏发电材料，通过半导体片利用薄膜逸散的能量进行温差发电，在一些情况下可降低太阳能薄膜的温度，提升发电效率。

6.3 根据太阳能薄膜表面温度智能调节菲涅尔透镜的高度以达到聚光提升光伏发电效果的作用。

6.4 背面通过相变散热结合水冷散热的方式提升温差发电的效率。

7 下一步研究计划

高效薄膜光伏温差发电系统的下一步研究应着重点在于提升改进降温装置的运行效率和提升其便捷性。

7.1 在下一阶段的研究中将进行实物的制作，并通过实验法验证本系统的有效性与实际效率，并从散热方式、菲涅尔透镜高度等探究影响整个系统发电效率的因素。

7.2 高效薄膜光伏温差发电系统顶端自动收集聚焦太阳能的设备为菲涅尔透镜，在长期自然条件使用下难免会造成表面不洁或被异物遮挡的情况发生，导致太阳能采集效果不好，现阶段需要人手动进行这个工作的清理。下一步设想在其表面安装智能检测设备和自清洁装置，当有上述情况发生时，发电系统会运行自清洁装置进行表面清洁。

7.3 高效薄膜光伏温差发电系统因为材料的原因显得比较笨重，下一步会将底座、伸缩装置进行替换，换用更加轻便的材料，同时对各个部分进行改造设计，使其能够折叠放置，提升设备的便携性。