渠滿，職更辰，屈國建

（1.上海海事大學商船學院，上海 201306；2.浙江中控流體技術有限公司，浙江杭州 310053）

隨著全球能源危機和環(huán)境污染問題的日益嚴重，開發(fā)利用清潔的可再生能源勢在必行。光伏發(fā)電作為一種新的電能生產方式，以其無污染、無噪音、維護簡單等特點顯示出無比廣闊的發(fā)展空間和應用前景，是最具潛力的能源開發(fā)領域，具有以下優(yōu)點：1）來源免費，與其他形式的可再生能源相比，太陽能是來源最豐富且最穩(wěn)定的能源[1]；2）太陽能發(fā)電系統(tǒng)易運輸、安裝，建設周期短；3）運行維護簡單，光伏系統(tǒng)只需要周期性檢查和少量維護工作；4）太陽能是清潔的可再生能源[2]，在開發(fā)利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣、也不會產生噪音和振動，是理想的清潔能源。我國具有豐富的太陽能資源，我國總面積2/3以上的地區(qū)年平均日照時數在2000 h以上，年平均日輻射量在4000 MJ/m2以上，目前,中國太陽能利用產品已形成千億元規(guī)模的產業(yè)[3]。

盡管光伏發(fā)電有許多的優(yōu)點，但還是存在一些急需解決的問題，例如：太陽能電池的峰值功率會隨著溫度的升高而降低，而太陽能電池只有在高光強下工作，才會有較高的轉換效率。因此設計一套合理的散熱系統(tǒng)對提高發(fā)電效率，延長使用壽命起到十分重要的作用。傳統(tǒng)的冷卻方式雖然降低了光伏組件的效率，但是卻將組件產生的熱量白白浪費掉了。針對這個問題，本文提出一種兩全其美的解決方案，即在光伏組件的背面連接一個熱電轉換模塊，形成一個光伏—熱電（PV-TE）混合模型。熱電轉換模塊將光伏組件產生的廢熱在溫差的作用下重新轉換成電能，從而既降低了光伏組件的溫度提高了轉換效率又產生了額外的電能。

1 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

本文討論的多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由拋物型雙面聚光板、光伏組件、熱電轉換模塊、導線、控制器、蓄電池等部件組成，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，主要完成最大功率點跟蹤、蓄電池充電、負載供電和蓄電池保護等功能，其性能的好壞直接決定了整個光伏系統(tǒng)的性能[4]。

圖1 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multifunctional photovoltaic power generation system

1.2 多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

光伏組件或電池板的工作性能會受到室外高溫的影響，根據集成類型，電池板的溫度可達60～80℃，導致效率損失約20%[2]，因此冷卻電池板將會提高轉換效率。但是，基于空氣或水的主動冷卻系統(tǒng)不僅需要電能來驅動冷卻系統(tǒng)而且也把廢熱浪費到了環(huán)境中。鑒于此種情況，本文提出了一種新型的解決方案，并將其做成百葉窗的形式，從而實現了光伏發(fā)電—建筑節(jié)能一體化。其工作原理及系統(tǒng)圖如圖2、圖3、圖4、圖5所示。拋物型雙面聚光板可根據室內采光通風需要調整開度，與普通百葉工作原理相同。

圖2 百葉關閉時側視圖Fig.2 The louvers in closed mode

圖3 百葉打開時側視圖Fig.3 The louvers in open mode

圖4 光伏-熱電混合模塊Fig.4 PV-TE hybrid module

圖5 百葉系統(tǒng)圖Fig.5 Schematic diagram of the louver system

系統(tǒng)工作原理如下：當百葉處于閉合狀態(tài)時，太陽光經過拋物型雙面聚光板反射聚集在光伏組件上，通過光伏組件將光能轉換為電能，隨著光伏組件的工作，其溫度不斷升高，溫度可高達80度，而周圍環(huán)境溫度僅有20多度，熱電模塊以光伏模塊作為熱端，環(huán)境溫度作為冷端，在50多度的熱電動勢的驅動下將光伏組件產生的廢熱轉換成電能。二者產生的電能通過導線在蓄電池中儲存起來。

當需要采光時，根據實際需要將拋物型雙面聚光板調至一定角度。一方面，太陽光通過正反兩面光的反射照到室內；另一方面，光伏組件將直接照在其上太陽光轉化為電能。熱電模塊仍然在冷熱兩端的熱電動勢的驅動下將光伏組件產生的廢熱轉換成電能轉換成電能。產生的電能通過導線儲存在蓄電池中。

2 數學模型

2.1 光伏仿真模型

假設光伏組件最大功率點不變。用了一個簡單的參數化模型，效率ηMPP（G，TM）是輻射量G和模塊溫度TM的函數[2]。溫度對效率的影響是線性變化的，溫度系數為α：

原則上，4個參數可由光伏組件制造商提供的數據表確定，或從作為光照的函數測量效率得到。a1，a2，a3為模塊的具體參數。此研究中我們用從測量多晶硅模塊得到的數據：a1=0.1894，a2=-0.04163 m2/W，a3=0.02158，α=0.4%/K[3]。

為了利用這個模型，模塊溫度需要從周圍環(huán)境溫度和輻射量確定，用模塊溫度TM和環(huán)境溫度TA的溫差與光照G成正比的假設。

系數取決于安裝條件。

2.2 熱電仿真模型

熱電模塊的效率可表示如下[4]：

卡諾效率定義為：

熱電模塊的平均溫度Tavg為：

這里用了方程（3）效率ηTE取決于Z和操作溫度TM和TA，因此也依賴于輻射量。

2.3 光伏-熱電混合效率及發(fā)電量計算

入射太陽輻射由效率為ηPV的光伏組件轉換，其余的熱量假設由熱電轉換模塊利用，轉換效率為ηTE。因此，沒有考慮通過模塊邊緣和前面的輻射損失。總發(fā)電量可以表示為[5]

混合系統(tǒng)的效率為

增加熱電轉換模塊后，效率增加如圖6所示。

圖6 增加TE模塊和不加時的效率分布圖Fig.6 The efficiency comparison of module with TE and that without TE

由上述分析可知，光伏組件的輸出特性受外界環(huán)境影響大，溫度和光照輻射強度的變化都可以導致輸出特性發(fā)生較大的變化。因此，充分利用光伏電池所產生的能量是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求。要解決這一問題，可在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對光伏電池的最大功率點進行跟蹤，以便更有效地利用太陽能[6]。

3 系統(tǒng)的優(yōu)點及先進性分析

3.1 系統(tǒng)的優(yōu)點

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：1）采用熱電模塊來冷卻光伏組件，節(jié)省了常規(guī)冷卻（傳統(tǒng)的空冷或水冷）需要額外電力輸入的能量的同時又產生了額外的電量，進而提高了整個系統(tǒng)的效率；2）光伏組件表面貼有一層氮化硅膜，降低光的反射，提高了光的利用率；3）采用高效拋物型雙面聚光板，反射板將太陽輻射聚焦到光伏電池，減少了光伏電池的面積，結構緊湊，從而降低了太陽能發(fā)電的成本。在采光時，光通過拋物型聚光板的反射照進室內，改善了室內的光環(huán)境；4）把光伏-熱電模塊與百葉窗有效的結合起來，既兼顧了室內采光、通風的功能又節(jié)約了空間、使其在有無采光時都實現了光伏-熱電聯合發(fā)電，產生的電能節(jié)約了能源，而且大大提高了其民用的可行性；5）本系統(tǒng)利用太陽能來發(fā)電，不消耗不可再生能源；運轉安靜，可靠穩(wěn)定壽命長，安裝維護簡便；對環(huán)境無污染，是一種綠色的發(fā)電技術；6）安裝于室內，既不影響建筑外部美觀，又節(jié)約空間，開啟模式與關閉模式可靈活切換，滿足適時需求，開啟和關閉狀態(tài)都可進行發(fā)電。

3.2 系統(tǒng)的先進性及可行性

3.2.1 系統(tǒng)的先進性

目前傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電裝置通常需要專門的空間布置，占用空間資源，對于人口密集的城市不易推廣。與目前通常使用的光伏組件相比，拋物聚焦型光伏—熱電混合發(fā)電百葉，由于增加了熱電轉換模塊，將光伏組件產生的廢熱又轉換成了電能，既提高了系統(tǒng)總的轉換效率又使能源利用最大化，減少了常規(guī)冷卻需要電力輸入的功耗，大大節(jié)省了能耗；同時，采用了拋物型雙面聚光板，與平板型太陽能電池板相比，提高了太陽輻射利用率，減少了電池板面積，進而減少了電池板的初投資；巧妙利用玻璃幕墻的有效面積，能在采光和太陽能利用兩者之間進行靈活轉換；結構小型化，安裝簡便。

3.2.2 系統(tǒng)的可行性

本裝置將太陽能作為發(fā)電的動力，減小了不可再生能源的供應壓力，而且緩解了用電高峰期電力供電的壓力。裝置將熱電轉換模塊與光伏組件相結合，將光伏組件產生的廢熱經熱電轉換模塊再發(fā)成電，將光伏組件冷卻的同時產生額外的電能，可使系統(tǒng)效率增加20%以上。將高效拋物型雙面發(fā)射板用于該系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率的同時也減少了太陽能發(fā)電的成本。在高樓林立的城市中，使用建筑外表面采光，布置太陽能綜合利用裝置無疑是最理想的方案。隨著地球資源的日益匱乏和基礎能源成本的不斷攀升，作為無污染且取之不盡的綠色能源，太陽能將會日益受到重視[7]。

4 結語

提出一種不同于傳統(tǒng)冷卻光伏組件的方法，即在光伏組件背面連接熱電轉換模塊，可以利用與周圍環(huán)境的溫差的熱電效應來產生額外的電力，從而達到一個光伏-熱電混合動力系統(tǒng)較大的整體效率[8-10]。同時，該發(fā)電系統(tǒng)與建筑節(jié)能相結合，實現了光伏發(fā)電-建筑一體化。該裝置無論是在家庭還是公司，國家機關還是私人企業(yè)，城市還是農村都可以得到使用。裝置所產生的電能可以自給也可以將多余的電能賣給電力部門并入電網。太陽能的利用有利于緩解了能源危機帶給我們的影響，保護環(huán)境[11-13]。該系統(tǒng)目前還沒有大面積推廣的一個主要原因是成本問題，因為合適的冷卻系統(tǒng)要求不僅能夠降低電池的表面溫度，還要安裝方便，使用起來穩(wěn)定可靠，同時還要兼顧成本等方面的因素[14]，所以當務之急是開發(fā)出性能更好的熱電轉換材料。

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