徐慧婷， 胡 状， 历德义， 彭 丰， 陈东生

(上海电力大学 数理学院，上海 200090)

0 引 言

目前，太阳能发电技术[1]仍然存在制造费用高、转换效率低、应用范围受限且未得到广泛应用等问题。利用聚光技术[2]将太阳光汇聚到面积很小的太阳能电池上，能大幅度地减少太阳电池材料用量，从而降低了系统的成本。聚光条件下，太阳能电池温度会升高，影响太阳能电池效率和寿命。温差发电[3]恰好可以解决光伏电池发电时存在的问题。基于以上分析，本文设计了一种聚光光伏及温差发电一体化装置系统[6]，通过实验进行探究，从而提高太阳能利用率。

1 实验原理

1.1 聚光发电系统

聚光系统原理[8]如图1所示。太阳光照射在点聚焦式光学聚光器[9-10]上，经汇聚后照射在太阳能电池上，再进行光电转换获得电能，透镜所在平面与太阳能电池所在平面相平行，汇聚焦点为电池中心。

图1 聚光系统原理图

1.2 温差发电系统

将1个P型电偶和1个N型电偶在热端用金属导流片相连接，形成如同P-N结的连接物，在冷端用导线连接，这就构成1个温差电偶[11]。在太阳光热效应下，P型半导体材料高温受光面空穴的热运动高于低温背光面，则空穴从高温端向低温端扩散，形成电势差。当N型半导体材料高温受光面电子的热运动高于低温背光面，则电子从高温端向低温端扩散，形成电势差。在构成的回路中，当复合半导体材料的两端存在温差时，便产生电动势且形成电流，此现象称为塞贝克效应[12]，也是温差发电的理论基础，其原理图[13]如图2所示。

图2 温差发电系统原理图

2 系统设计

该装置硬件主要包括光电部分和温差发电部分。光电部分由聚光器、太阳能电池、光伏控制器[14]等部件组成;温差发电部分由串联的温差发电片、散热器[15]及冷却装置等部件组成。前期的实验结果显示：水冷却效果突出，成本低，结构相对简单，故在该一体化系统中采用循环水冷却方式[16]。

通过太阳能电池组件[17]将太阳辐射的光直接转化为电能，输出的直流电可以存入蓄电池当中，考虑到聚光后的光线为圆形，因此选取直径为114 mm的圆形太阳能电池，能最有效利用太阳光。太阳光经聚光器聚焦后能在很小的面积上产生很高的温度，所以在电池背面采用紫铜进行散热，与紫铜另一面紧贴的是温差发电片的热端。温差发电片的电压小电流大，将4块40 mm×40 mm的温差发电片串联在太阳能电池背面进行发电。太阳能电池板如图3所示。

(a) 正面

考虑到装置的体积和最佳的聚光距离，将装置制作成了一个长430 mm，宽430 mm，高105 mm的2×2聚光光伏发电阵列。其中菲涅尔透镜尺寸为200 mm×200 mm，焦距为140 mm。自行搭建的聚光光伏及温差发电一体化装置的实物如图4所示。

图4 装置实物图

3 实验数据与分析

3.1 有、无温差的对比

(1) 为了探究温差发电对于系统的影响，分别启动和不启动温差系统进行对比实验研究。实验前调整装置倾斜角度，使阳光垂直照射在菲涅耳透镜上，在回路中接入电阻箱、小量程电流表和电压表，电阻箱阻值为0～60 kΩ，装置实验原理示意图如图5所示。不断调节电阻箱的阻值，测量太阳能电池输出电流值和电压值，实验数据见表1。

利用Origin软件对实验数据进行分析处理，太阳能电池伏安特性曲线如图6所示，输出功率曲线如图7所示。

图5 原理示意图

图6 聚光太阳能装置伏安特性曲线图图7 聚光太阳能输出功率曲线

伏安特性曲线中，启动温差与不启动温差两种情况下，聚光太阳能电池的输出电流基本相等，但光伏-温差联合发电状态下，最终输出电压有约0.5 V的明显提升。由于较大辐射强度导致太阳电池内部可进行复合的电子-空穴对增多、电池温度升高，从而加大电池内部电子-空穴对的复合概率，对外输出电流减弱[18]。太阳能电池输出电压随温度升高而近似线性地减小，随辐射强度的增加而呈对数增长[19]。电池输出电压随电阻增大而缓慢增加，达到最大值后开路电压基本保持稳定这主要是受电池温度升高的影响。相同的聚光条件下，入射到太阳电池的光通量相同，太阳电池温度越低，其禁带宽度就越宽[20]。这意味着被太阳电池吸收的光子所产生的电子-空穴对能维持在高能量水平，从而增大输出电压。

在输出功率曲线中，两条曲线基本重合，均在电阻箱阻值为8.5 Ω时有最大输出功率，光伏-温差联合发电的最大输出功率为3.2 W，比单一光伏发电输出功率高出0.16 W。

实验结果表明:启动温差比不启动温差发电效果更好。因为在聚光太阳能电池的背面加装温差发电系统后，不仅能降低聚光太阳能电池背面的温度，提高输出电压和最大输出功率，还可以利用热能进行发电，增加了总的输出功率。通过实验初步验证整套装置的可行性。

3.2 系统整体性能

为了研究整个装置在正常光照情况下，总输出功率以及转换效率的情况，进行了系统整体性能的测试：

(1) 实验前调整装置倾斜角度，使阳光垂直照射在菲涅耳透镜上。

(2) 在一体化装置的聚光光伏发电系统输出端串联一个阻值为8.5 Ω的负载和电流表并测量负载电流，温差发电系统的输出端串联一个阻值为80 Ω的负载和电流表并用电压表测量负载电压。

(3) 搭建好实验平台，启动循环水散热即可以开始记录实验数据。在记录实验数据过程中，由于前期数据变化频率较快，因此前6 min每隔0.5 min记录1次，后15 min每隔1 min记录1次，总共记录21 min，记录数据见表2。

表2 装置的输出功率

利用Origin软件对记录的数据进行分析处理，可以得到聚光光伏与温差发电一体化装置的输出功率曲线，如图8所示。

图8 装置的输出功率曲线

一体化装置的输出功率高于光伏或温差单独一种发电方式。温差发电芯片输出功率主要受芯片冷、热端平均温差影响，太阳辐射强度的增强导致热端平均温度升高，输出功率曲线呈近线性增大。温差发电在系统中所占的发电比重较小[21]。由图可知：装置总输出功率等于聚光光伏系统输出功率加上温差发电系统输出功率。阳光照射后，光伏系统立刻产生1.5 W左右的输出功率，长时间照射后，输出功率会有所上升，最终在2.0 W上下波动，考虑到太阳能光照强度的变化，输出功率的变化属于正常现象。

通过对比装置总输出功率曲线和聚光光伏系统输出功率曲线，可以发现装置工作5 min后，装置总输出功率产生增量，说明在聚光光伏的基础上加装温差发电能够提升总输出功率，但增加的相对较少。而5 min前装置总输出功率曲线和装置聚光光伏输出功率曲线基本一致，说明装置温差发电输出功率在5 min前是一个逐渐增加的过程，5 min后趋于稳定。

4 结 语

通过以上的实验分析可知：聚光光伏与温差发电一体化装置是可行的，该一体化装置能够将光电和热电混合利用，对弱光进行聚光处理，光电转换效率和整体输出功率均有所提高。但现在该装置仍存在一些不足和需要完善的地方，比如装置采集的时间还是太短，整个装置还需要加装太阳能追踪系统等。该装置的投入使用能够加速光伏行业的发展，促进光伏温差混合技术的发展。