太阳能温差发电系统的设计与实现

太阳能电池能够吸收大约80%的太阳光辐照度,根据电池板材料的光生伏特效应,其中一定比例的辐照转换成电能。然而,剩余的能量会危险地提高电池封装中的硅结温度,导致性能劣化。一般认为太阳能电池的温度升高是严重降低并缩短电池寿命的最关键问题之一,因此光伏模块在运行期间的热管理是必不可少的。普遍认为能够在产生电能的同时并利用废热的混合太阳能发电系统设计是解决上述问题最有希望的方案。本文研究了一种利用热管导热、以碲化铋材料为热电产生器的太阳能温差发电系统,该系统是光伏电池与温差电池一体化结构,其中的温差电池由两块相同的集成化温差发电结构串联构成,温差电池利用光伏电池的热能发电,该设计旨在改善光伏组件的热管理并提高太阳能的利用率。Bi_2Te_3是目前最常用的、常温下热电优值最高的热电材料,本文中利用小的晶块状P型和N型Bi_2Te_3材料设计了一种集成化的温差发电结构,该结构由多对热电偶串联组成,常温下10℃的温差就能产生约154 mV的电压。鉴于热管优秀的导热能力和均温特性,该设计中应用热管将光伏电池的热量源源不断地转移给温差发电结构供其发电,给光伏电池降温的同时利用太阳热能发电。实验发现,在95.6W/m~2至266.2W/m~2的光强度范围内照射30min后,该结构中的光伏电池较独立的光伏电池,上表面温度下降了7℃~10.7℃,下表面温度下降了8.6℃~12.4℃,同时光伏电池效率也提高了0.43%~0.5%,这说明了该结构中热管对于光伏电池性能和安全的重要意义。为研究太阳能温差发电系统的性能,设计了该系统的测试平台并进行了一系列测试。将该系统在95.6W/m~2、134.6W/m~2、175.4W/m~2、223.2W/m~2、266.2W/m~2等5种不同的光强度下照射30min发现,系统中的温差电池的最大功率分别为2.18mW、2.55mW、2.62mW、2.80mW、3.32mW,与独立的光伏电池相比,该系统的效率分别高出1.39%、1.22%、1.03%、0.93%、1.01%。考虑到该系统中光伏电池与温差电池的输出不匹配,设计了该系统的转换输出电路将两种大小悬殊的输出电压转换至同一常用电压输出,以使该系统更易应用于实际场合,经测试,该电路可将系统输出稳定在1.8V,但系统能量稍有损失。