光伏熱電耦合器件中熱電模塊負載對整體性能的影響

張 佳, 吳子華, 謝華清, 王元元, 趙 誠, 翟 涵

(上海第二工業大學 環境與材料工程學院,上海201209)

0 引言

能源短缺一直是制約國家經濟和社會發展的主要問題,然而傳統化石能源儲量有限,并且化石能源燃燒過程中釋放的化合物對大氣環境會造成污染。在能源危機的背景下可持續能源研究的重要性日益凸顯, 太陽能以其清潔無污染、儲量豐富而備受關注[1-2]。光伏熱電是基于光生伏特效應,將太陽能直接轉化為電能的一種發電技術。然而, 光伏電池(PV) 對太陽光譜的利用存在局限性, PV 實際只能將紫外光和可見光的部分光譜轉換為電能,紅外光及其他部分的光譜全部轉換為熱能[3-4]。轉換的熱能使得PV 溫度不斷上升,進而降低PV 的性能[5-6]。熱電發電是近年來備受關注的新型發電技術,它利用半導體材料的熱電效應,將熱能直接轉換為電能,具有無污染、無需運動部件等優點[7-8]。許多學者對PV 與熱電模塊(TEG) 耦合進行了探究。Deng等[9]采用實驗與理論模擬相結合的方式,探究了光伏熱電耦合器件(PV-TE)輸出情況, 實驗結果表明耦合器件產生的電能是純PV 的兩倍。Park 等[10]通過實驗研究了一種無損耦合,結果表明當溫差達到15 ℃時耦合器件效率可達30%。Pang 等[11]設計了光伏熱電耦合的實驗系統,并搭載翅片散熱器作為冷卻裝置。結果表明,相同冷卻條件下,PV-TE降低了8.29 ℃,而純PV 降低6.49 ℃,耦合TEG 有利于PV 散熱。殷二帥等[12]構建了PV-TE 理論模型, 對耦合器件進行了熱阻分析和優化。眾多研究成果表明, PV 與TEG 耦合使得PV 產生的余熱可以作為TEG 的熱源,實現了能源的梯級利用。然而,PV 與TEG 耦合的機制是較為復雜的?；赑V 和TEG 的工作原理,它們對溫度的要求不同,高溫會提升TEG 的功率,但會衰減PV 的性能。因此,熱量是影響耦合系統整體性能的重要因素。有學者對PV與TEG 的相互影響進行了探究。廖天軍等[13]采用實驗與理論相結合的方式對光伏熱電耦合系統進行性能分析。他認為PV 輸出電流增大時, TEG 輸出電流反而減小,因為傳遞給TEG 的熱量減小。有學者對PV 與TEG 相互影響的原因進行了更詳細的研究。Lin 等[14]構建外接負載電阻的耦合器件模型,對負載電阻優化進行研究。結果表明,TEG 最優負載電阻隨著入射光強的變化而變化。Wu 等[15]通過構建耦合器件理論模型,研究了TEG 對應的最優負載阻值。結果表明,純TEG、耦合器件中TEG 和耦合器件整體效率最高時所對應的最優負載電阻值均不同,純TEG 的最優負載阻值不能作為耦合器件整體性能最優的負載阻值使用。Li 等[16]采用理論模擬研究了純TEG、耦合器件中TEG 和耦合器件整體效率最高的3 種情況所對應的最優負載電阻值隨不同實驗條件的變化,提出了優化建議。然而,他們的工作均基于理論模型的研究。TEG 負載不同電阻對耦合系統性能的影響還需通過實驗進一步驗證。本研究搭建了包含冷卻裝置的實驗平臺,測量不同光強下TEG 負載不同阻值時PV、TEG 和耦合器件整體效率的變化,以探究TEG 負載不同阻值對耦合器件的影響。

1 實驗方法

PV-TE 由單晶硅PV 及碲化鉍(Bi2Te3)TEG 組成, 然后將PV 和TEG 用乙烯- 乙酸乙烯共聚物(EVA)材料封裝成為PV-TE。PV 和TEG 的結構參數如表1 所示。圖1 為PV-TE 及測試系統示意圖。在耦合器件運行過程中,入射太陽光透過EVA 材料照射到電池上, PV 將吸收的太陽光部分轉化為電能,其余轉化為熱能。轉化的熱能部分通過熱傳導和熱輻射透過EVA 材料傳遞給周圍環境;其余的熱能傳遞給TEG。傳遞給TEG 的熱能部分通過熱電效應轉化為電能,其余部分同樣通過熱傳導和熱輻射散發到環境中。

表1 PV 和TEG 的參數Tab.1 Parameters of PV and TEG

圖1 PV-TE 及測試系統搭建示意圖Fig.1 Schematic diagram of PV-TE system and test system

恒溫冷卻系統由銅制散熱模塊、恒溫浴槽、蠕動泵組成。散熱模塊與耦合器件底部使用導熱系數為4.2 W/(m2·K) 的導熱膠粘接, 以增強TEG 的散熱[17-18]。本研究在恒溫浴槽20 ℃的冷卻條件下進行。使用光強計OPHIR NOVA II 測量入射光強。PV 與Keithley 萬用表連接,測量伏安特性(I-V)曲線。為避免引線電阻對測量精度產生影響, 使用四線法[19],并計算最大功率(Pmax)、FF 及光電轉換效率(η)。TEG 與定值電阻串聯, 電阻兩端并聯Keithley2002 萬用表測量負載電阻分配得到的電壓, 并計算輸出功率和η 以評估性能。標準電阻購買自上海澄洋儀器儀表有限公司, 以RTE-S表示。TEG 在其內阻與外阻相等或相近時TEG 輸出功率最大[20-21]。已知TEG 內阻值為2 ?。因此本研究中TEG 分別負載2、5 和10 ? 定值電阻,標記為RL1、RL2、RL3。實驗條件設置200 和300 mW/cm2兩種輻照強度,標記為G1和G2。

PV 和TEG 輸出功率分別由下式計算:

式中: (PPV)max為PV 的最大輸出功率, mW;(IPV)max為PV 的最大輸出電流, A; (UPV)max為PV 最大輸出電壓,V;PTE為TEG 的輸出功率,mW;UTE為TEG 的輸出電壓,V;RTE-S為TEG 外電路的負載電阻,?。

PV 的FF 由下式計算可得:

式中: FF 為PV 的填充因子,UOC為PV 的開路電壓,V;ISC為PV 的短路電流,A。

耦合器件總輸出功率由下式計算:

耦合器件總光電轉換效率由下式計算:

式中: ηPV代表PV 光電轉換效率;ηTE為TEG 熱電轉化效率;G 為入射光強,A 為PV 面積。

在測量過程中,TEG 的電壓數據均于耦合器件運行至穩態時采集, 且每秒記錄一次。為保證實驗數據的準確性,TEG 的電壓數據均記錄40 次然后取平均值,PV 的I-V 曲線均掃描10 次然后取平均值。所有實驗均在室內環境為自然對流條件下進行。

2 結果與討論

2.1 PV 的I-V 曲線隨TEG 負載電阻值變化

圖2 比較了不同光強下耦合器件中PV 的I-V曲線隨TEG 外接負載電阻值變化。G1下, TEG 外電路負載RL2電阻時, ISC最高, 為0.40 A, 較電路負載為RL1時增長了2.65%,較外電路負載RL3時增長了3.12%。G2下,TEG 電路負載不同阻值時對PV 的輸出幾乎沒有影響。兩種光強下TEG 負載不同電阻對UOC均無影響,均為0.61 V。

圖2 (a)G1、(b)G2 下PV-TE 中PV 的I-V 曲線隨TEG 負載電阻值變化Fig.2 (a)G1 (b)G2 I-V curve of PV in PV-TE system varies with load resistance of TEG

2.2 PV 的Pmax 及F F 隨TEG 負載電阻值變化

圖3 比較了在不同光強下PV-TE 中PV 的Pmax和FF 隨TEG 負載阻值的變化。TEG 負載不同電阻值時,PV 的Pmax和FF 基本相同,幾乎不產生影響。例如G1下, 相比RL3電阻負載RL2阻值使得PV 的FF 僅提升0.48%。

圖3 PV-TE 中PV 的(a)Pmax、(b)FF 隨TEG 負載阻值變化Fig.3 (a)Pmax(b)FF of PV in PV-TE system varies with load resistance of TEG

2.3 光伏熱電耦合系統中η 隨TEG 負載電阻值變化

圖4 比較了在不同光強下PV-TE 中ηPV、ηTE和ηPV-TE隨TEG 負載阻值變化。與PV 的Pmax和FF 的變化趨勢相同, G1下TEG 負載RL2, PV 效率最高,為5.45%;相比負載RL3提升了5.46%。G2下TEG 負載不同電阻對PV 幾乎沒有影響。如圖4(b) 所示, 當外電路負載與內阻相等時(RL1), ηTE最高。G2下,ηTE為0.27%。光強增大后,ηTE隨負載阻值的降低而提高,與Li 等[16]模擬研究結果一致。如圖4(c)所示,ηPV-TE在TEG 負載RL1時最高。G2下,耦合器件的ηPV-TE為5.74%。雖然PV 在TEG 負載RL2時輸出較好,但負載RL1時TEG 較高的輸出足以彌補微小差距。

圖4 PV-TE 中(a)ηPV、(b)ηTE、(c)ηPV-TE 隨TEG 負載阻值變化Fig.4 In the PV-TE(a)ηPV (b)ηTE (c)ηPV-TE varies with the loading resistance of TEG

PV 輸出特性受TEG 負載電阻影響可能是由于PV-TE 工作過程中, PV 和TEG 之間的熱量傳遞產生的相互影響。TEG 負載不同電阻值改變了TEG的電能輸出,引起熱端溫度發生變化。熱端溫度的變化可能利于提高TEG 輸出,但對PV 性能產生消極影響, 因電池自身溫度是影響PV 性能的重要因素。熱電冷端保持恒定溫度時,PV 產生的余熱又會引起TEG 冷熱兩端溫差的變化。TEG 依賴溫差發電,進而影響到耦合器件整體電能和熱能的輸出占比。然而,這種相互影響是十分有限的。隨著光強的提高,TEG 負載不同電阻值不影響耦合器件整體性能。相對地,入射光強和溫度是影響PV 輸出特性的重要因素,對耦合器件整體輸出的影響更顯著。

3 結 論

本研究搭建了包含恒溫冷卻裝置的電學測試系統,測量了不同光強下TEG 負載不同電阻值時對PV、TEG 和耦合器件整體的輸出影響。結果表明,TEG 負載不同電阻值對PV 及耦合器件整體輸出僅在較低光強具有一定的影響,且十分有限。相對地,入射光強對PV 的輸出影響更為顯著。對于光伏熱電耦合系統的外電路設計,負載電阻應遵循各自的最佳匹配電阻值以獲得較高的輸出功率。本文工作為PV-TE 的外電路優化設計進行了有益探索。