太阳能高效光伏热电–复合发电技术现状与展望

王美威，董翠翠，张洪阳，李君，陶丽楠

（中石化（大连）石油化工研究院有限公司，辽宁大连 116045）

全球经济的高速发展带来能源消耗的快速增加，使得全球变暖[1–2]、大气层破坏[3]、空气质量下降[4]等问题加剧，控制和减少碳排放成为全球各国人民共同面对和亟待解决的问题[5–6]。与其他新能源发电技术相比，太阳能发电具有资源丰富、分布广泛、洁净无污染、可靠性高等优点[7–8]，据国家能源局统计，2021年全国太阳能发电装机容量同比增加20.9%，约达3.1亿kW。

目前，将太阳能转化成电能主要包括2种方式，即太阳能光伏发电（PV）和太阳能光热发电（TE）。PV是一种利用太阳能电池半导体材料的光伏效应，将光能直接转换为电能的发电方式[9–12]，电池材料多为宽禁带半导体，当光子能量跨越PV电池的带隙宽度发生光谱响应时，其低带隙能量的光子不能被PV电池所利用，导致其能量转化效率较低，较大部分太阳辐射能量只能以废热的形式浪费掉[13–15]。TE主要利用赛贝克效应[16]，通过温差驱动载流子定向迁移，将热能直接转化为电能[17–18]，其中，TE能量转化效率主要取决于TE器件材料性能的优越。近年来，将光伏电池和热电材料互补集成，建立光伏–热电（PV–TE）复合发电系统成为研究重点[19–20]。PV–TE复合系统可实现太阳能全光谱利用，TE器件可将光伏发电废弃的热量转化成电能，提升整个系统的能量转化效率，降低发电成本，TE的加入也能够补偿单独PV的不确定性。以上众多优点使PV–TE系统成为非常理想的能量转换技术[21–22]，但也存在着一些关键问题限制其发展应用，包括如何匹配TE器件和PV电池的运行温度、复合系统TE器件选择、PV–TE系统能量传递结构优化等。

1 PV–TE发电技术工作原理

目前PV–TE复合发电系统中光伏电池和热电器件耦合方式基本包括2种，即分光型和层叠型。前者是将太阳光按照波长范围分配到PV和TE系统各自利用，相对于单一光伏发电系统来说，能量转换效率确实有所提高，但PV和TE各自独立工作，TE不对PV进行热量管理也无法对PV的工作余热进行能量转换，且该复合系统结构复杂，对分光仪器精度要求较高、成本昂贵，导致其实际应用受限。层叠型PV–TE复合系统将TE器件安置在光伏电池的背面[23]，PV与TE可实现协同作用，TE利用热电器件吸收PV工作时产生的余热并将其转化为电能，在提升总能量转化效率的同时还完成了对PV的热量管理。

PV–TE集成系统中，主要应用原理包括PV发电、温差发电、热传导、热对流和热辐射等。光伏电池和热电器件效率–温度特性相矛盾，温度升高会提高TE器件的性能，但较高的温度会使短路电流增加，导致PV电池的工作效率降低，因此合理匹配TE器件和PV电池的运行温度、复合系统TE器件选择、PV–TE系统能量传递结构优化等是提高复合系统能量转换效率的关键。PV–TE集成系统的能量转化效率（ηPV–TE）定义为复合系统最大输出功率（PPV–TE，max）与入射光强度（G）的比值，如式（1）所示。

2 PV–TE复合发电技术研究现状

近年来，众多学者都曾对PV–TE复合发电技术的可行性进行过实验室研究。表1归纳了2011–2018年间有关PV–TE复合发电系统的实验室/模拟数据（包含PV、TE材料类型及组装后的复合系统的发电效率）。由表1可知，无论是何种类型的PV与TE相搭配，复合系统均表现出了比单独PV更高的能量转化效率。经统计，复合系统的能量转化效率比单独PV高0.02%～12.32%。

表1 2011–2018年PV–TE复合发电系统相关研究

Afifa等[24]进行户外实验对比传统单一PV发电和PV–TE复合系统的电气和热性能，结果表明在环境温度约为33℃的条件下，PV–TE复合系统比PV系统转换效率提高了7.46%，预估每年可额外产生电能359 kWh。Mehran等[25]利用有限体积法（FVM）与蒙特卡洛射线追踪法（MCRT）相结合，提出1种PV–TE复合三维集成模型进行数值模拟计算，并探究反射器的孔径宽度和吸收器的顶角等设计参数对不同系统的影响，计算得出孔径宽度在1.6～2.2 mm和顶角在80°～120°范围内有利于提高转化效率。

Van Sark等[26]以西班牙马拉加和荷兰乌特勒支为例，利用2个地点的天气数据模拟计算了复合系统的年发电量。结果表明，PV–TE系统的效率与PV相比提高了23%。依据2个地点的年辐照度和年平均温度，PV–TE复合系统可使2个城市的年可利用能源总量分别提升14.7%和11.0%。

国内对于PV–TE复合发电技术的研究主要集中在高校，但由于我国在TE领域的起步较晚，目前自主研发的TE器件工作效率较低，制约了该技术的发展。张宇锋等[27]利用复合系统热力学特性，构建了包括反射、辐射和对流等热损耗的理论模型，结果发现较低的温度系数和低效率的太阳能电池能够获得复合系统较优的工作性能，提出系统总的太阳能转化为电能的效率，如式（2）所示：

式中，ηtot为复合系统总效率，ηpv为太阳能电池效率，ρ为玻璃的反射率，QR为器件表面以辐射方式产生的热损失，QC为对流方式产生的热损失，EI为入射太阳辐照，Th和Tc分别为热电模块高低温端的温度，i为电流，K为热电模块总热传导系数，r为热电模块的总电阻，α为p型和n型半导体的塞贝克系数之差。

梁鼎[28]提出1种聚光分频光电–热电复合发电系统，建立能量传递模型进行理论分析和优化计算，设计和搭建复合系统的户外测试平台验证模型的准确性。结果表明，该复合发电系统模型基本能够预测聚光分频光电–热电复合系统性能。

3 PV–TE复合发电技术影响因素

3.1 TE模块的结构选择与优化设计

Yuan等[29]指出复合系统的发电成本与TE效率密切相关。当TE的效率低于1%时，复合系统的发电成本高于PV，随着TE效率的增高，发电成本逐渐降低。当太阳能吸收器面积大于0.5 m2时，热电器件效率为3%的发电成本和光伏组件的成本基本相当，但当TE的效率达到5%以上时，通过增加PV–TE集成系统的采光表面积，可使复合系统的发电成本低于PV。

在PV–TE复合发电系统中，热电模块通过TE器件将PV发电废弃的热量转化成电能，TE器件的工作性能对复合系统能量转化效率和发电成本起着关键性作用。热电材料利用塞贝克效应进行温差发电，其热–电转化效率如式（3）所示[30]：

式中，Th和Tc分别是冷端和热端温度，T¯是冷热两端的平均温度，ZT称为材料的热电优值，当材料的Th和Tc温度确定时，ZT越大效率越高，如式（4）所示[30]：

式中，σ为电导率，T为绝对温度，s为塞贝克系数，k为热导率。

ZT值是衡量热电材料工作性能的重要指标，为获得更好的工作性能，要求热电材料器件需有较高的电导率和塞贝克系数，以及较低的热导率。以上3个参数之间存在一定耦合关系，制约热电材料性能改善。熊焱等[33]通过研究有机和复合薄膜热电运输原理，利用光激发、界面效应以及极化效应等方法改变声子和电子的传输过程，使上述影响热电材料性能的3个参数去耦合，从而改善薄膜材料与器件的工作性能，并制备出1种无空穴传输层碳电极钙钛矿太阳能电池和Bi2Te3基热电模组器件的PV–TE集成器件，提高光电能量转化效率。

热电器件的p型与n型模块具有不同的电阻或热阻时，需对模块的几何结构进行优化才能获得最佳的输出性能。电极材料的物理特性、电极与热电材料之间的匹配和结合状态等均会直接影响器件的效率、可靠性和使用寿命。此外，填充于器件间隙中的绝缘填充物对系统内对流和辐射的热损失方面起着关键作用，热电器件的拓扑设计影响输出特性，匹配器件拓扑是优化TE发电综合指标的基础。根据热电器件的工作模式，综合考虑边界条件和影响因素，将理论分析、热–电结构耦合分析和瞬态结构分析相结合，同时筛选和优化多组参数，才能最大限度提高材料的TE性能。

3.2 TE器件和PV电池的运行温度

在PV–TE复合系统中，光伏电池和热电器件效率–温度特性相矛盾，Fisac等[31]提出将太阳能电池板中的温度梯度用于为热电电池供电，从而改善复合系统的发电效率，当光伏电池选择多晶硅时，运行温度为35℃的PV–TE复合发电系统工作性能要优于运行温度为55℃时的光伏发电系统。

Ju等[32]从聚光比和冷却装置的角度对PV–TE复合发电系统的能量传递过程分析研究，模拟了由砷化镓（GaAs）太阳能电池和方钴矿CoSb3太阳能热电发电机（TEG）组成的混合系统，评估复合发电系统的电气和热性能。实验结果表明，GaAs–CoSb3复合系统的截止波长主要由太阳能电池的带隙决定。

前文中提到传统的太阳能PV–TE复合发电系统中热电器件与光伏电池的组合一般采用层叠式的相邻排列，而Li等[33]提出PV电池和TE器件相隔开设计结构，中间为冷却室，目的是为PV模块和TE模块提供较低的工作温度。在非用电高峰时段，复合系统发电多余的电力被用来驱动冷冻机来产生低温循环流体，然后被用于冷却用电高峰时的PV电池和TE器件，结果表明，利用该结构能显著增加高峰时期复合系统输出功率。

3.3 PV–TE的集成方式

PV–TE复合系统中合理匹配光伏电池和热电器件的集成方式才能使系统总能量转化效率更优并达到更好的安全稳定性能。目前较为常见的PV–TE复合系统为层叠型。

张进等[34]针对传统光伏–热电耦合系统，提出一种无陶瓷板和铜板的一体化PV–TE复合系统。并在此基础上设计1种V型槽式耦合系统，该结构能够使照射光伏电池的太阳光发生2次反射和吸收，增强系统对光照的吸收。结果表明，去除复合系统陶瓷板通过TE器件电极完成热聚集能够增加系统整体的输出效率，采用V型槽结构也能够较好的改善TE器件和PV电池的效率。

何雅玲等[35]提出1种分频式低倍聚光光伏高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统，该系统利用光谱选择性和低倍聚光光伏透过玻璃，光伏电池接收可见光部分，光热/热电复合集热管接收其他波段的太阳光，实现太阳能全光谱的高效利用。

4 结语

目前国内太阳能PV–TE复合发电系统更多处于研究阶段，实际应用较少。这是由于PV–TE复合发电技术不同模块的耦合方式尚未清晰，导致应用经济性没有达到预期效果，存在热电器件结构设计、系统工作不稳定、较低的能量转化效率、较高的工艺成本等实际问题。近年来，我国可再生能源大力发展，在“双碳”目标下，构建以新能源发电为主体的新型电力系统逐渐步入正轨，太阳能PV–TE复合发电技术可以实现太阳能的全光谱利用，其发展与应用空间未来可期。