黃勵志

（安徽省阜陽市第三中學(xué)，安徽 阜陽236000）

1 研究背景

電對于人們來說是生活中最不可或缺的資源，無論是在通信、交通、娛樂、生產(chǎn)生活等方面都需要使用到電力資源，但目前在世界上還有很多國家的人仍因為各種因素用不上電，包括我國也存在著電力資源緊缺的問題。目前我國電力能源的來源主要有3 種，即火電、水電、核電和風(fēng)力發(fā)電，目前還是以火力發(fā)電為主，在一定程度上導(dǎo)致了環(huán)境污染。此外也利用太陽能發(fā)電，傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電設(shè)備存在許多不足，如光線較分散時強度往往不夠等。故本研究擬設(shè)計一個能夠充分利用太陽能資源進行發(fā)電的高效、便捷、綠色的發(fā)電設(shè)備，解決我國電力資源短缺的問題。

2 研究目的

通過文獻閱讀了解現(xiàn)存的一些太陽能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)實驗驗證，完成了高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計搭建。該高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)實中光線強度變化自動化、智能化的調(diào)整光伏溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的角度，通過菲涅爾透鏡與光伏薄膜之間的距離，可以使其始終能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能的最大采集量，光伏薄膜同溫差發(fā)電片搭配使用，實現(xiàn)資源的有效利用，同時自身對于溫度的恒定作用，也能延長光伏薄膜的使用效率和使用壽命，為新能源發(fā)電技術(shù)的改進設(shè)計提供一個技術(shù)解決的方案。

3 研究思路

圖1

4 研究結(jié)果

4.1 光伏薄膜發(fā)電技術(shù)

光伏薄膜發(fā)電就是利用半導(dǎo)體技術(shù)，直接將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。光子照射到金屬上時，經(jīng)過一系列的反應(yīng)之后，將會形成光電子。與此同時，硅原子與磷原子和硼原子混雜會形成對應(yīng)的N 型半導(dǎo)體和P 型半導(dǎo)體。當(dāng)P 型和N 型結(jié)合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P－N結(jié)后，空穴由P 極區(qū)往N 極區(qū)移動，電子由N 極區(qū)向P 極區(qū)移動，形成電流。

圖2 光伏發(fā)電的原理

如上所述，在光的作用下，產(chǎn)生一定方向一定大小的電動勢的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng)，光伏薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率同光線強度大小有直接關(guān)系。光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。

目前薄膜太陽能電池具有：

（1）材料儲量豐富、安全無毒；

（2）制備溫度低、能量回收時間短；

（3）易于大規(guī)模自動化生產(chǎn)；

（4）生產(chǎn)成本低；

（5）較低的溫度變化系數(shù)；

（6）應(yīng)用方便等特點。

4.2 溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電技術(shù)是利用賽貝克效應(yīng)實現(xiàn)的，因為材料的特殊性，當(dāng)溫差發(fā)電片兩端溫度不一致時，熱端的電子就會向冷端發(fā)生定向轉(zhuǎn)移，形成穩(wěn)定的電勢差，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，溫差發(fā)電片的發(fā)電效率與溫差片兩端溫度差的大小有關(guān)。

圖3 溫差發(fā)電原理

4.3 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

該裝置主要由兩部分組成，底座支架和光伏溫差發(fā)電部分，在工作時能夠智能化根據(jù)光線強度變化和溫度傳感器示數(shù)的改變進行角度和高度的調(diào)整，能夠?qū)崟r的對太陽進行追蹤。同時為應(yīng)對自然條件下太陽的定期運動的情形下能夠獲得充足的照射面，特將底座設(shè)計為能夠進行自主調(diào)節(jié)的可移動便攜式，可根據(jù)現(xiàn)實情況靈活的調(diào)節(jié)光伏溫差發(fā)電部分的高度與仰角。菲涅爾透鏡太陽光線變化是能夠由核心控制器進行控制，自動化改變仰角和與光伏薄膜的距離，將最強光源始終聚集在光伏薄膜之上。光伏薄膜背面與溫差發(fā)電片熱端用導(dǎo)熱性良好的硅膠進行粘接，以此來減小導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)光伏薄膜在太陽照射下產(chǎn)生作用將太陽能轉(zhuǎn)換為電能時自身會產(chǎn)生一定的熱量，從而溫度升高，這時候溫差發(fā)電片貼近于光伏薄膜一端相對于另一端溫度升高，因此溫差發(fā)電片開始工作，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電設(shè)備在運行時會產(chǎn)生大量的熱，長時間的高溫運行會對光伏薄膜和溫差發(fā)電片的運行產(chǎn)生損害，因此在溫差發(fā)電片的冷端依次安裝有相變散熱裝置和水冷降溫裝置，當(dāng)位于光伏薄膜中央的溫度傳感器檢測到溫度的變化時，將數(shù)據(jù)信息傳遞給核心控制器，核心控制器改變電路狀態(tài)。當(dāng)溫度升高時，核心控制器接通電路，在調(diào)整菲涅爾透鏡高度的同時運轉(zhuǎn)制冷散熱設(shè)備。當(dāng)溫度回到正常狀態(tài)時，電路回到正常狀態(tài)。

圖4 薄膜光伏及溫差發(fā)電板

圖5 配套結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.4 控制原理

本系統(tǒng)由薄膜光伏發(fā)電與溫差發(fā)電兩種發(fā)電方式進行結(jié)合，薄膜光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能經(jīng)由控制器、逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電可以輸送給用戶，同時也將一部分電能儲存在蓄電池中。溫差發(fā)電產(chǎn)生的電能經(jīng)由升壓模塊升高電壓也輸送給蓄電池。系統(tǒng)菲涅爾透鏡由溫度傳感器決定其溫度，菲涅爾透鏡的運動及溫度傳感器的控制以及太陽追蹤結(jié)構(gòu)電機的運動均從蓄電池中獲得電能。

圖6 控制原理

4.5 運用前景分析

本系統(tǒng)設(shè)計通過將光伏發(fā)電和溫差發(fā)電進行系統(tǒng)結(jié)合，并利用菲涅爾透鏡、溫度傳感器實現(xiàn)智能聚光提升系統(tǒng)發(fā)電效果，本系統(tǒng)可以替代部分太陽能設(shè)備的使用，如太陽能路燈、家用太陽能發(fā)電器等，也可替代產(chǎn)業(yè)化、集中發(fā)電的光伏設(shè)備，適應(yīng)場景廣泛化。

5 結(jié)論

光伏薄膜在發(fā)電時通過吸收太陽能，經(jīng)過一定的物理轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為電能供給外部用電器使用。但是目前存在著轉(zhuǎn)化效率低、受環(huán)境因素影響、自動性低的特點，因此目前還沒有在發(fā)電市場被很好的推廣。通過設(shè)計改進將其與菲涅爾透鏡相結(jié)合，菲涅爾透鏡通過電路控制，可以智能化的進行調(diào)整，提升太陽能的接收，并且能起到隔離保護的作用。位于光伏薄膜背面的溫差發(fā)電片，利用光伏薄膜表面的溫度升高這一特性進行發(fā)電，提升整個系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的效率，并且為了控制設(shè)備內(nèi)部溫度以便保護設(shè)備，在其底部采取相變散熱和水冷散熱相結(jié)合的方式保持相對恒溫。光伏薄膜與溫差發(fā)電片的有效配合使用，提升了對太陽能的轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟實用性，為太陽能清潔電力轉(zhuǎn)化設(shè)備的大規(guī)模使用提供了技術(shù)解決方案。

6 創(chuàng)新點

6.1 光伏發(fā)電與溫差發(fā)電的結(jié)合，兩種發(fā)電方式同時產(chǎn)生電能，提升對太陽能的利用率。

6.1 以太陽能薄膜為主要光伏發(fā)電材料，通過半導(dǎo)體片利用薄膜逸散的能量進行溫差發(fā)電，在一些情況下可降低太陽能薄膜的溫度，提升發(fā)電效率。

6.3 根據(jù)太陽能薄膜表面溫度智能調(diào)節(jié)菲涅爾透鏡的高度以達到聚光提升光伏發(fā)電效果的作用。

6.4 背面通過相變散熱結(jié)合水冷散熱的方式提升溫差發(fā)電的效率。

7 下一步研究計劃

高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)的下一步研究應(yīng)著重點在于提升改進降溫裝置的運行效率和提升其便捷性。

7.1 在下一階段的研究中將進行實物的制作，并通過實驗法驗證本系統(tǒng)的有效性與實際效率，并從散熱方式、菲涅爾透鏡高度等探究影響整個系統(tǒng)發(fā)電效率的因素。

7.2 高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)頂端自動收集聚焦太陽能的設(shè)備為菲涅爾透鏡，在長期自然條件使用下難免會造成表面不潔或被異物遮擋的情況發(fā)生，導(dǎo)致太陽能采集效果不好，現(xiàn)階段需要人手動進行這個工作的清理。下一步設(shè)想在其表面安裝智能檢測設(shè)備和自清潔裝置，當(dāng)有上述情況發(fā)生時，發(fā)電系統(tǒng)會運行自清潔裝置進行表面清潔。

7.3 高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)因為材料的原因顯得比較笨重，下一步會將底座、伸縮裝置進行替換，換用更加輕便的材料，同時對各個部分進行改造設(shè)計，使其能夠折疊放置，提升設(shè)備的便攜性。