|
|
|
发布时间: 2024-12-28 |
智能电网技术 |
|
|
|
邱茏1, 常乐1, 孟军磊2, 李奎3, 马昕霞3, 谢金龙4 |
收稿日期: 2024-03-28
中图法分类号: TM615;TK519
文献标识码: A
文章编号: 2096-8299(2024)06-0595-05
|
摘要
为提升光伏-温差（PV-TE）混合发电系统效率，寻求与温差发电（TE）模块相结合的工程适用的冷却方式，搭建了包括太阳光模拟系统、光伏发电模块、TE模块的试验系统，对PV-TE混合发电系统不同冷却方式下的光伏发电输出功率、TE模块冷端温度、冷热端温差、输出功率进行了试验研究。结果表明：光伏电池板安装TE装置后，当TE装置处于开路和闭路两种不同状态时，光伏电池表现出不同的性能。TE装置安装散热铝片后，冷却效果显著，其冷端温度降低约5 K，冷热端温差增大，输出功率增大；在散热铝板的基础上结合热管，进一步增强了TE装置的冷却效果。
关键词
光伏-温差混合发电系统; 光伏; 温差发电; 冷却
QIU Long1, CHANG Le1, MENG Junlei2, LI Kui3, MA Xinxia3, XIE Jinlong4 Abstract
In order to improve the efficiency of photovoltaic-thermoelectric(PV-TE)hybrid power generation system, and to find an engineering suitable cooling method combined with thermoelectric (TE) module, an experimental system including solar simulator, photovoltaic power generation module and TE module is built, and the PV-TE hybrid power generation system is tested and studied. The output power of PV-TE hybrid power generation system, the cold end temperature, the temperature difference between cold and hot ends and the output power of TE module are studied and analyzed by different cooling methods. The experimental results show that after installing the TE device on the photovoltaic panel, the photovoltaic cell exhibits different performance when the TE device is in two different states: open circuit and closed circuit. Installing heat dissipation aluminum fins has a significant cooling effect. The cold end temperature of the TE device decreases by about 5 K, and the temperature difference between the cold and hot ends increases, resulting in an increase in output power. Combining heat pipes on the basis of cooling aluminum plates further enhances the cooling effect.
Key words
photovoltaic-thermoelectric hybrid power system; photovoltaic; thermoelectric power generation; cooling
将光伏发电技术和基于塞贝克效应的半导体温差发电技术相结合，构成光伏-温差（Photovoltaics-Thermoelectric，PV-TE）混合发电装置。光伏电池将吸收的太阳辐射能转化为电能和热能，温差发电（Thermoelectric，TE）装置利用光伏电池的余热转化为电能，从而实现太阳能全光谱利用，提升太阳能利用率[1-2]。
在PV-TE混合发电系统中，TE装置不仅利用光伏电池的余热发电，还作为光伏电池的冷却系统对其进行冷却，提高光伏电池的发电效率[3-5]。为了提升PV-TE混合发电系统的效率，国内外学者进行了广泛的研究。文献[6]对高性能PV-TE混合发电系统的热管理进行了优化，在室外测试中峰值效率达到了23%。文献[7]提出了一个利用纳米流体散热器确定混合PV-TE系统化性能的理论模型，观察到纳米流体比水有更好的性能。文献[8]在PV-TE系统中引入了相变材料，以缓解系统中的温度回流。文献[9]研究了一种基于热管的PV-TE混合发电系统，可以更好地应用于工作温度高、风速低、日照充足的地区。文献[10]通过有限元软件模拟PV-TE混合发电系统热场分布，研究了接触热阻和辐照度在4种温差电池与光伏电池面积比情况下对混合发电系统的影响规律。文献[11]基于光生伏特和塞贝克效应，设计了一种聚光光伏及TE一体化装置，采用紫铜片对光伏电池进行热传递。
综上所述，TE装置结合冷却装置，加快了TE装置冷端散热，是提升PV-TE混合发电系统效率的有效手段。然而，实际工程应用中，在各个TE片冷端安装翅片的工程量大，且翅片自重大，系统运行过程中容易脱落。水冷技术不适用于一些建于山上、沙漠以及戈壁滩上等水源不充分的光伏电站，且通常需要水泵，增加了电力消耗和系统维护成本。因此，寻找一种安装便捷、经济有效的冷却方式，便于PV-TE技术的工程应用和推广，具有重要的现实意义和应用价值。
基于此，本文搭建了PV-TE混合发电试验系统，研究分析安装TE装置前后光伏电池板的温度、输出功率，以及不同冷却条件下TE装置的冷端温度、冷热端温差、输出功率等参数。
1 试验系统与试验方法
1.1 试验系统
本文搭建的PV-TE混合发电试验系统如 图 1所示。其主要包括太阳光模拟系统（太阳光模拟器、功率调节设备）、光伏发电模块（光伏电池板）、TE模块（TE装置）、冷却装置、测温装置（T型热电偶）、数据采集/开关单元装置（34901 A型模块）和数据采集仪（Agilent 34970 A）。热电偶分别位于冷热端测温点。试验系统主要用于测试PV-TE混合发电系统的温度特性和输出特性。
为了获得稳定的试验结果，试验采用室内光源。室内光源使用ATLAS（阿特拉斯）UV紫外光照太阳光模拟系统。该系统可用于全光谱太阳光模拟试验，由发光设备和控制设备组成。发光设备使用ATLAS UV 1000型号的金属卤素（Metal Halides，MH）灯管，光源稳定，可提供接近太阳辐射的稳态光源。MH灯管通过改变功率来调节辐照度，其最大功率为4 kW，功率调节范围为最大功率的51%~100%。
光伏发电模块是PV-TE混合发电系统中的核心部分，试验用光伏电池板采用德国博世单晶硅电池片，尺寸为338 mm×304 mm×17 mm。在标准测试情况下，即大气质量为AM 1.5（光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5倍）、辐照度为1 000 W/m2、环境温度Tc为25 ℃时，光伏电池板性能参数如表 1所示。
表 1
光伏电池板性能参数
| 参数 | 数值 |
| 输出功率Pmax/W | 11.00 |
| 最大工作电压UMPP/V | 18.20 |
| 最大工作电流IMPP/A | 0.55 |
| 短路电流ISC/A | 0.65 |
| 开路电压UOC/V | 21.50 |
TE装置采用16个TE片串联。TE片型号为TEG-127258，其热端通过绝缘导热硅胶与光伏电池背板粘合，在光伏电池背板上均匀分布。
1.2 冷却装置
根据传热学原理，增大散热面积可增加对流散热量，因此在TE装置的冷端安装0.5 mm厚的散热铝板，以增大散热面积。安装散热铝板后的TE装置如图 2所示。
为进一步增强散热效果，在散热铝板上安装热管，安装热管后的TE装置如图 3所示。
热管蒸发段内的工质（水）吸收铝板的热量，气化为蒸汽，上升到热管冷凝端释放热量，冷凝为液态后在重力作用下重新回到蒸发段。热管的冷凝端直接暴露在空气中。如此往复循环，TE装置得到进一步冷却。热管尺寸为60 mm×40 mm×3 mm，材料为纯铝，采用微槽毛细结构。热管相关参数如表 2所示。
表 2
热管的相关参数
| 参数 | 数值 |
| 表观传导率/[W/(m·K)] | 1 000 000 |
| 等温性/（K/m） | < 1 |
| 最大热流密度/(W/cm2)] | 100~200 |
| 使用温度范围/℃ | -120~200 |
1.3 试验方法
调节太阳光模拟系统的功率，在不同辐照度下进行性能测试。试验中需要检测的物理量为温度、电压、电流等信号。这些信号通过接线端输入到34901 A型模块中，由Agilent 34970 A数据采集仪进行数据采集。
2 试验结果与分析
2.1 TE装置对光伏电池板发电效率的影响
本文搭建的PV-TE混合发电试验系统，安装TE装置前后光伏电池板的温度变化情况如图 4所示。测量的是光伏电池板中央测温点1的温度。
由 图 4可知：安装的TE装置处于开路状态时，光伏电池板的温度最高；未安装TE装置时，光伏电池板的温度则次之；而安装的TE装置处于闭路状态时，光伏电池板的温度最低。这是由于：当安装的TE装置处于开路状态时，TE装置产生的电能不能被外部负载利用，同时由于光伏电池板和TE装置之间存在热阻，阻碍了光伏电池板的散热，因此使光伏电池板的温度升高了1~2 K；当安装的TE装置处于闭路状态时，TE装置产生的电能被负载利用，导致光伏电池板的温度降低约1 K。可见光伏电池板安装的TE装置处于闭路时，对光伏电池板有一定的冷却作用，这对光伏电池板发电效率是有利的。
本文搭建的PV-TE混合发电试验系统，安装TE装置前后光伏电池板的输出功率变化情况如 图 5所示。
由图 5可以看出：随着辐照度增强，光伏电池板的输出功率呈线性增长；安装的TE装置处于开路状态时，光伏电池板的输出功率最低；安装的TE装置处于闭路状态时，光伏电池板的输出功率较未安装TE装置时升高1%~2%。
光伏电池板的输出功率与其温度的高低有直接关系。光伏电池板的温度每升高1 K，其发电效率下降0.2%~0.5%[12]。安装的TE装置处于开路状态时，光伏电池板的热能无法转化成电能，对光伏电池板起不到冷却作用，反而阻碍了自身的散热，导致光伏电池板的温度升高，从而降低了光伏电池板的输出功率；安装的TE装置处于闭路状态时，光伏电池板的热能经TE装置转化为电能，传递到负载上消耗，对光伏电池板起到冷却作用，因此光伏电池板的输出功率升高。本文后续试验均在安装TE装置且TE装置处于闭路状态下进行。
2.2 不同冷却方式下PV-TE混合发电试验系统性能
2.2.1 TE装置的冷端温度和冷热端温差
PV-TE混合发电试验系统在安装TE装置且TE装置处于闭路状态下，分别测量不同冷却方式下TE装置的冷端温度（测温点4的温度）和冷热端温差（测温点3和4的温差），结果分别如图 6和 图 7所示。其中，3种工况分别为：未采取任何冷却措施；TE装置的冷端安装散热铝板；TE装置的冷端在安装散热铝板后进一步安装热管。
由图 6和图 7可以看出：TE装置上安装散热铝板后，其冷端温度比未采取任何冷却措施时降低5 K左右，散热效果明显增强；同时，TE装置的冷热端温差也显著增大，且温差值随辐照度的增强而增大。这表明TE装置上安装散热铝板散失的热量远远超过因辐照度增强而产生的热量，也进一步说明TE装置上安装散热铝板是增强散热的有效手段。
另外，TE装置在安装散热铝板上进一步安装热管，其冷端温度进一步下降，此时的温度比只安装散热铝板时降低了1~3 K，温度下降幅度变小；TE装置的冷热端温差也有所增大，但增大的幅度变小。这是由于：在TE装置的冷端安装散热铝板后，散热面积的增大导致TE装置冷端的大量热量散失，使温度明显下降；铝板的散热导致热管蒸发段温度不高，因而在散热铝板上进一步安装热管后，散热效果未得到明显增强，使得温度下降幅度和冷热端温差变化幅度均变小。
2.2.2 TE装置的输出功率
与2.2.1节相同条件下进行试验，不同冷却方式下TE装置的输出功率变化情况如图 8所示。
由图 8可以看出，3种不同工况下，随着辐照度增强，TE装置的输出功率均近似呈线性增大。这是因为随着辐照度增强，光伏电池板温度升高导致TE装置的冷热端温差增大，其输出功率也随之增大。这与文献[2]的研究结论一致。
安装散热铝板后，随着辐照度增强，TE装置的输出功率迅速增大；在散热铝板上进一步安装热管后，TE装置的输出功率进一步增大，但是增大幅度变小。根据TE原理可知，TE装置的输出功率与其冷热端温差直接相关，TE装置的冷热端温差越大，其输出功率越大。图 7、图 8的试验结果验证了这一原理。
3 结论
TE装置不仅利用光伏电池板的余热发电，增加了电能输出，还作为冷却装置，对光伏电池板进行冷却，提高了光伏电池板的发电效率，以及太阳能的利用率和系统总效率。为提升PV-TE混合发电系统性能，本文设计了在TE装置的冷端安装散热铝板、散热铝板与热管相结合的两种冷却方式，试验结论如下。
（1）试验系统安装TE装置后，光伏电池在TE装置处于开路和闭路状态时表现出不同的性能。TE装置处于闭路状态下，光伏电池板的温度降低约1 K，其输出功率提高1%~2%。
（2）TE装置的冷端安装散热铝板后，散热效果明显增强，其冷端温度明显下降，同时TE装置的冷热端温差也显著增大，且随辐照度的增强而增大。在散热铝板上进一步安装热管，TE装置的冷端温度下降幅度变小，同时TE装置的冷热端温差增大的幅度也变小。
（3）不同冷却方式下，随着辐照度增强，TE装置的输出功率均近似呈线性增大。安装散热铝板后，随着辐照度增强，TE装置的输出功率迅速增大；在散热铝板上进一步安装热管之后，TE装置的输出功率增大幅度变小。
参考文献
-
[1]魏晨光, 邓晓颖, 刘正权, 等. 基于太阳能光伏热利用的光伏/热电(PV/TV)建筑一体化试验研究[J]. 可再生能源, 2012(7): 5-7.
-
[2]朱文, 杨君友, 崔昆, 等. 热电材料在发电和制冷方面的应用前景及研究进展[J]. 材料科学与工程, 2002, 20(4): 585-588. DOI:10.3969/j.issn.1673-2812.2002.04.031
-
[3]HASHIM H, BOMPHREY J J, MIN G. Model for geometry optimisation of thermoelectric devices in a hybrid PV/TE system[J]. Renewable Energy, 2016, 87: 458-463. DOI:10.1016/j.renene.2015.10.029
-
[4]PANG W, LIU Y, SHAO S, et al. Empirical study on thermal performance through separating impacts from a hybrid PV/TE system design integrating heat sink[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2015, 60: 9-12. DOI:10.1016/j.icheatmasstransfer.2014.11.004
-
[5]况亚伟, 马玉龙, 徐竞, 等. 工作温度对硅基太阳电池转换效率的影响[J]. 半导体光电, 2016, 37(3): 327-330.
-
[6]ZHU W, DEN Y, WANG Y, et al. High-performance photovoltaic-thermoelectric hybrid power generation system with optimized thermal management[J]. Energy, 2016, 100: 91-101. DOI:10.1016/j.energy.2016.01.055
-
[7]WU Y Y, WU S Y, XIAO L. Performance analysis of photovoltaic-thermoelectric hybrid system with and without glass cover[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 93: 151-159. DOI:10.1016/j.enconman.2015.01.013
-
[8]CUI T, XUAN Y, LI Q. Design of a novel concentrating photovoltaic-thermoelectric system incorporated with phase change materials[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 112: 49-60. DOI:10.1016/j.enconman.2016.01.008
-
[9]MAKKI A, OMER S, SU Y H, et al. Numerical investigation of heat pipe-based photovoltaic-thermoelectric generator (HP-PV/TEG) hybrid system[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 112: 274-287. DOI:10.1016/j.enconman.2015.12.069
-
[10]李欣然, 王立舒, 李闯, 等. 光伏温差界面热耦合特性及混合发电效率[J]. 农业工程学报, 2021, 37(1): 233-240.
-
[11]于佳禾, 许盛之, 韩树伟, 等. 太阳电池与光伏组件的温度特性及其影响因素的分析[J]. 太阳能, 2018(3): 29-36.
-
[12]CHANDER S, PUROHIT A, SHARMA A, et al. A study on photovoltaic parameters of mono-crystalline silicon solar cell with cell temperature[J]. Energy Reports, 2015(1): 104-109.
