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文 | 奇旅说

编辑 | 奇旅说

前言

太阳能等新能源开发与利用是保持经济可持续发展和解决能源危机的重要环节。传统光伏技术可将17%～18%的太阳能转化为电能，其余部分转换为热量，光伏电池温度持续升高会导致发电效率与光伏电池寿命降低。

光伏温差混合发电技术通过温差电池将光伏发电过程中的热量转换为电能，降低了光伏电池温度，实现了太阳能的梯级利用。

装置整体结构

聚光光伏温差混合发电装置主要包括抛物型聚光器、光伏温差混合发电部分、流量计、可调水泵、热交换器及储热箱等组成，装置整体结构如图1所示。光伏电池表面朝向抛物型聚光器，并沿其焦点线排列在托架最外侧。

步进电机转轴通过联轴器连接聚光器中轴，转轴方向设置为南北，在竖直面内东西方向转动聚光器跟踪太阳。

装置混合发电部分结构如图2所示，光伏电池、相变容器、温差电池、扁平热管依次层叠连接，各接触面均匀涂抹导热性能良好的硅脂。光伏电池接收太阳能将部分能量转换为电能，其余太阳能转换为热量传递给相变材料潜热吸收。当相变材料完全融化或辐照度大幅度降低时，会释放热量给温差电池热端。

扁平热管蒸发段连接到温差电池冷端，冷凝段采用硅酮胶固定密封于冷却水箱内，扁平热管内流动的冷却水降低温差电池冷端温度，形成温差并通过塞贝克效应产生电能。系统通过流量计与水泵调节水流量，产生的热水由储热箱储存进行热利用。

从经济性、光电转换效率与环保等因素综合考虑，本研究选用多晶硅光伏电池，电池尺寸为600mm×60mm×2.3mm。

温差电池由12个SP1848-27145型号的温差发电片串联组成，尺寸为40mm×40mm×3.4mm，光伏电池与温差电池参数如表1和表2所示。扁平热管蒸发段600mm×60mm（长×宽），冷凝段100mm×60mm（长×宽）。

表1光伏电池主要参数表

表2温差电池主要参数

相变材料容器的结构如图3所示，相变材料容器尺寸为600mm×60mm×10mm，为了增强相变材料内部的传热能力，在相变容器中间布置一块480mm×12mm×10mm的铜块，其余地方布置了一定数量的铜制肋片。

在距离相变材料中心50mm、150mm和250mm位置处布置3个K型热电偶，分别命名为A测温点、B测温点和C测温点，用来测量相变材料的温度分布。

相变材料在一定温度范围内能够改变自身物理状态，当相变材料发生相变时将吸收或释放大量的潜热，同时材料维持在一个恒定的相变温度附近。

相变材料状态与温度关系如式（1）所示。

（1）

式中Ｔm是相变材料的相变温度，K；E是相变材料吸收或释放的热能，J；当相变材料吸热时，E为正值，当相变材料放热时，E为负值；H是相变材料的潜热，J；Cs是相变材料固态时比热容，J/(k·g·K)；CL是相变材料液态时比热容，J/(k·g·K)。

目前光伏发电系统中已经引入相变材料调控光伏电池工作温度。本研究在原有层叠型光伏温差混合发电系统中引入相变材料，通过相变材料的相变潜热来调控光伏温差混合系统的工作温度。

因此，相变材料的选取主要是由混合系统的最佳工作温度所决定的。根据系统所用光伏电池和温差电池的性能参数，系统最佳工作温度主要分布在300至375K之间，这个温度区间，从实用性与经济性考虑，石蜡是非常适合的相变材料。

石蜡具有相变潜热大、热稳定性好、不易发生相分离及价格低廉等优点。但石蜡热导率较低。因此将具有高导热性、高稳定性及高吸收性的膨胀石墨与石蜡混合构成复合相变材料。相变容器中填充石蜡约750g，膨胀石墨占比接近10%，复合相变材料的厚度为8mm，热导率为0.28W/(m·K)。

系统能量转换与分析

通过系统热阻网络构建结合相变材料的光伏温差混合发电系统内部能量传递模型。系统热阻网络如图4所示，太阳光经抛物式聚光器聚光后照射在光伏电池表面，部分太阳能被光伏电池转换为电能，其余部分转换为热能导致光伏电池温度高于环境温度，光伏电池通过空气对流与辐射散热形式与外界环境进行热量交换。

光伏电池表面能量传递公式可由式（2）给出。

（2）

式中C为光学聚光比；G为太阳辐照度，W/m2；APV为光伏电池面积，m2；PPV为光伏电池功率，W；Tref为电池标况温度25℃。

光伏电池背板通过导热硅脂与相变容器接触，相变材料吸收热量温度升高，当达到熔点时发生相变，并将系统温度维持在相变材料的相变温度。光伏电池背板的能量传递可由式（3）进行计算。

（3）

式中APCM为相变容器面积，m2；Tair为环境温度，K。

相变容器下表面通过导热硅脂与温差电池热端连接，由于相变材料温度高于温差电池温度与环境温度，部分热量传递给温差电池，其余部分通过辐射与对流方式损失。相变材料与温差电池的能量传递过程如式（4）、式（5）所示。

（4）

（5）

式中ATE为温差电池面积，m2；TTE-hot为温差电池热端温度，K；RC2为相变容器与温差电池界面的单位面积热阻，m2·K/W；TTE-cold为温差电池冷端温度，K；RTE为温差电池单位面积热阻，m2·K/W；PTE为温差电池功率，W。

温差电池冷端与水冷装置连接，水冷散热能量传递过程见式（6）。

（6）

式中Ths-up水冷装置上表面的温度，K；Ahs为水冷装置面积，m2；Ths-down水冷装置下表面的温度，K；Ac为流体通道的截面积，mm2；Twm为水的平均温度，K；a为流体通道的宽度，mm；b为流体通道的高度，mm；ρw为水的密度，kg/m3；cw为水的热容，J/(k·g·K)；uw为水的流速，m/s；m为流体通道的数量；Two为出口处水的温度，K；Twi为入口处水的温度，K；hw为水的对流换热系数，W/(m2·K)，可由下式（7）得出。

（7）

式中kw为水的热导率，W/(m·K)；Nu为努赛尔系数；Dh为流体通道的水力直径，mm。

光伏电池的效率取决于电池材质、结构及光伏电池的工作温度。光伏电池发电效率ηPV可由式（8）得出。

（8）

式中β为光伏电池效率温度系数，K-1；TPV为光伏电池实际温度，K；ηref为光伏电池标况转换效率，取值范围为12%～18%。

光伏电池的输出功率PPV与光电转换效率ηPV关系如式（9）。

（9）

相变容器与水冷装置使温差电池冷热两端形成温度差，通过塞贝克效应将热量转换为电能。温差电池热电转换效率ηTE可由式（10）得出。

（10）

式中ZT为温差电池的品质因子，ZT值可由式（11）得出。

（11）

式中α为温差电池的塞贝克系数，V/K；σ为温差电池的电导率，S/m；k为温差电池的热导率，W/(m·K)。

温差电池的输出功率PTE为

（12）

结合相变材料的光伏温差联合发电系统效率η可表示为式（13）。

（13）

式中Ppump为水冷所需的泵功，Ppump可由式（14）得出。

（14）

式中ΔP为水冷装置进出口水的压降，Pa；Qv为体积流量，m3/s；f为摩擦因子；Lhs为水冷装置的宽度，mm。

装置试验与分析

为了研究结合相变材料的光伏温差混合发电系统性能，在哈尔滨市香坊区东北农业大学（45°72′N，126°68′E）进行测试试验。

试验日期为2020年10月1日—2021年9月30日，每月根据天气预报选取天气晴朗的3～6d进行试验测试，测试时间为试验当天的8:00～16:00。

试验过程中测量太阳辐照度、环境温度、光伏电池温度、温差电池热端温度、热管冷凝段温度、温差电池冷端温度、相变材料与相变容器温度，冷却水流量等关键参数。通过测量数据分析系统的输出功率、光电转换效率、热电转换效率及混合发电系统效率，试验所用主要仪器参数如表3所示。

表3仪器参数表

为了减少聚光损失，聚光装置南北倾斜30°角正向12:00太阳方向放置，试验装置连接示意图如图5所示。K型贴片式热电偶T1～T4用导热胶粘贴在光伏电池边缘，测量光伏电池温度。热电偶T5～T11测量相变材料温度。

热电偶T12、T13粘贴于热管蒸发段上表面，测量温差电池冷端温度。T14、T15置于温差电池上表面两端，测量温差电池热端温度。T16、T17布置在冷却水箱出口，测量冷却流体出口温度。冷却水箱进口管道处放置有温度探头的流量计，测量水箱进口温度和流量，并可调节水流量。

负载选用150Ω变阻器，光伏电池和温差电池输出连接双输入DC-DC变换器后采用算法进行MPPT控制，系统输出电压电流经U/I变送器送入数据采集卡。热电偶采样输出经温度变送器同样送入数据采集卡。数据采集卡通过USB总线将数据传输给计算机。试验过程中的环境参数，温度、太阳光辐射强度和风速等参数测量后通过计算机记录数据。

试验测试装置如图6所示，由于哈尔滨月平均辐照度成梭形分布，6月份平均辐照度最高，因此系统瞬时性能测试选取2021年6月份进行试验。试验过程中测试了结合相变材料的光伏温差混合发电装置在不同辐照度、冷却方式、冷却水流速及接触热阻情况下的温度、输出功率等性能参数。

试验期间环境温度与太阳辐照度的变化曲线如图7所示，环境温度范围为285.6～300.5K，辐照度变化范围为443.3～748.4W/m2，辐照度最大值出现在中午12点左右。

采用水冷冷却措施的系统运行温度随时间变化曲线如图8所示，光伏电池的最高温度326.5K，出现在13:30，此时太阳辐照强度为735.5K/m2。这时相变材料内部温度分别为TPCM-A为324.5K，TPCM-B为320.5K，TPCM-C为318.5K。温差电池热端温度为320.1K，温差电池冷端温度为306K。

在一天辐照度最强的11:00—14:00期间，光伏电池的温度基本维持在326K。相变材料具有良好的温度调控特性，在辐照度变化的情况下，可以使光伏电池维持在相对较低的工作温度，有效地减小了系统温度波动。

光伏电池的温度稍高于相变材料的平均温度321.2K。而温差电池热端的温度基本接近相变材料平均温度，只有在下午14:00—16:00期间相变材料平均温度略高于温差电池热端温度，因为此时辐照度开始下降，相变材料放热导致。

由于石蜡导热率较低，且温度分布不均匀，距离相变材料中心较近的A点和B点处发生了相变，远离中心的C点并未达到相变温度，进一步提升相变材料的热导率对于混合发电系统性能的提升具有积极意义。

冷却系统可以移除系统多余的热量，将温差电池冷端维持在较低的温度，不同冷却方式下温差电池温度的变化情况如图9所示。

随着冷却水流速的增加，对流换热系数增大，系统输出功率增大，当水流速达到6L/min时，温度变化趋于平缓。采取自然风冷时，冷却效果较差，温差电池冷端温度远高于水冷时的冷端温度，而温差电池热端温度在2种冷却方式下差异不大。

采用水冷冷却方式的系统温差电池最大温差为13.4K，采用自然风冷的系统温差电池的最大温差为3.6K，水冷冷却能够有效降低温差电池冷端温度，提高温差电池输出功率。由于相变材料较好的吸热、储热特性，冷却方式对光伏电池温度影响不大，光伏电池输出特性基本相同。

结合相变材料的混合发电系统存在多个接触面，如图10所示，比较了3种不同接触方式对混合发电系统效率的影响，分别为直接接触、导热硅脂1热导率为2.0W/(m·K)、导热硅脂2热导率为5.15W/(m·K)。

3种接触方式温差电池最大温差分别为5.4K、11.2K、13.4K，光伏电池平均效率分别为18.10%、18.3%、18.38%，系统总效率分别为19.6%、19.95%、20.18%，综合评估使用导热硅脂2的系统性能最好。

由此可见，导热性能好的材料可有效降低接触热阻，从而降低光伏电池温度、增大温差电池的温差和混合发电系统的总效率。

如图11所示，为光伏温差混合发电系统（PV-TE）和结合相变材料的光伏温差混合发电系统（PV-PCM-TE）电性能的比较。结合相变材料的温差混合发电系统输出电功率为70～98.65W，电效率17.8%～22.28%，试验8h平均功率为86.89W，平均效率为21.08%，发出电量695.12W·h，最大功率与效率均出现在下午13:00左右。

相比于PV-TE系统，电效率增加了1.05%，电功率增加了16.21%。这是因为在PV-PCM-TE系统中，相变材料使光伏电池始终处于相对较低的温度，提高了光伏电池的光电转换效率。同时在辐照度逐渐降低的时候，温差电池热端吸收相变材料释放的热量，增加了温差电池的发电量。

如图12所示，PV-PCM-TE系统和PV-TE系统在不同季节的性能进行比较，冷却方式均为水冷，冷却水流速为6L/min。

春、夏、秋、冬四季PV-PCM-TE系统输出最大电效率分别为21.15%、22.28%、21.52%、20.56%，最大热效率分别为28.86%、32.55%、30.54%、22.38%，最大㶲效率分别为25.20%、27.32%、26.50%、23.86%，相比PV-TE系统，年平均电效率、热效率、㶲效率分别提高了0.52%、2.05%、1.85%。

各项性能指标最大值均出现在夏季。通过全年试验结果分析，本研究提出的结合相变材料的光伏温差混合发电系统具有较好的适应性，同时输出较为可观的热能和电能。

结论

本文提出了结合相变材料的光伏温差混合发电系统，对该系统能量转换过程进行分析，并在哈尔滨地区对其全年性能进行试验研究，得出以下结论：

相变材料能够抑制辐照度波动对光伏温差混合发电系统的影响，使系统在适宜的工作温度下运行，在辐照度最强的11:00—14:00期间，光伏电池的最高温度为326.5K，基本维持在相变材料的相变温度区间。PV-PCM-TE系统采用水冷方式，冷却效果优于自然风冷。接触面选用高导热率材料减小接触热阻，提高系统发电效率。

PV-PCM-TE系统在瞬时性能与PV-TE系统相比，电效率和电功率分别增加了1.05%和16.21%。全年测试期间，系统电、热性能均随季节变化而改变，夏季最优，冬季最差，最大电效率为22.28%、最大热效率为32.55%、最大㶲效率为27.32%。

本文设计的结合相变材料的光伏温差混合发电系统，增强了混合发电系统在变辐照度下的稳定性，具有较优的发电性能与热能输出，可为现代农业温室的环境监控、照明系统供电，并能为植物生长提供部分热能。研究内容对于光伏温差混合发电系统的实际应用具有重要指导意义。