CN102244487A

CN102244487A - 一种混合发电系统及其使用方法

Info

Publication number: CN102244487A
Application number: CN2010101774961A
Authority: CN
Inventors: 孟庆波; 郭晓枝; 罗艳红; 李冬梅
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明提供一种混合发电系统及其使用方法。该混合发电系统，包括半导体温差发电模块和散热模块，其中还包括敏化太阳能电池，所述半导体温差发电模块的热端与所述敏化太阳能电池的背光面基底相粘合，半导体温差发电模块的冷端与所述散热模块相粘合。本发明将敏化太阳能电池和半导体温差发电模块相结合，利用敏化太阳能电池的效率跟温度的正相关性与温差发电模块的大温差要求相一致的特点，使本发明的混合发电系统能充分利用太阳光全光谱发电，从而提高了太阳能的利用率。

Description

一种混合发电系统及其使用方法

技术领域

本发明属于太阳能发电领域，特别地涉及一种混合发电系统及其使用方法。

背景技术

合理开发和利用太阳能，发展太阳能产业，是人类解决能源危机和环境污染的重大课题。图1为太阳辐射的能量分布图，从图中可以看出，在太阳辐射中，大体包括紫外区、可见光区和红外区。目前，现有太阳能发电系统只能将紫外和可见光区的光能转换为电能，而占太阳辐射总能量43％的红外光则以热能形式耗散，从而导致太阳能利用率低，制约了太阳能发电效率的进一步提高。

在申请号为200610114707的专利申请“基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统”中，提出一种由太阳能光伏电池和温差发电模块组成的混合发电系统。众所周知，温差发电模块是利用赛贝克效应把热能转换为电能的装置，其工作原理是将两种不同类型的热电转换材料的一端结合并将其置于高温状态，而另一端处于开路并给以低温，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。因此，对于温差发电模块来说，其输出功率与冷热端温差正相关，当冷端温度一定时，热端的温度越高，系统输出功率越大。然而，对于硅系光伏电池来说，工作温度越高，其光电转换效率却越低(通常25℃下其转换效率最高)，因此温差发电模块的这种工作特点与硅系光伏电池的工作要求相矛盾，使该发电系统并不能充分利用太阳能资源，光电转换效率并不理想。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种可充分利用太阳能的混合发电系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种混合发电系统，包括半导体温差发电模块和散热模块，其中还包括敏化太阳能电池，其中所述半导体温差发电模块的热端与所述敏化太阳能电池的背光面基底相粘合，半导体温差发电模块的冷端与所述散热模块相粘合。

在上述技术方案中，当所述背光面基底为导电的时，在所述半导体温差发电模块的热端与所述背光面之间设有绝缘导热层。

在上述技术方案中，所述绝缘导热层包括氧化铝陶瓷片、云母片或硅胶片。

在上述技术方案中，所述半导体温差发电模块的冷端为氧化铝陶瓷片，其与所述散热模块相粘合。

在上述技术方案中，所述粘合为采用导热粘合剂粘合在一起。

在上述技术方案中，所述导热粘合剂包括导热硅胶、散热膏、环氧树脂导热胶或导热压敏胶粘剂。

在上述技术方案中，所述散热模块设有风冷式或水冷式散热器。

在上述技术方案中，所述敏化太阳能电池包括光阳极和对电极，所述光阳极和对电极的基底包括金属材料、透明导电的玻璃或塑料。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述的混合发电系统的使用方法，其中，将所述敏化太阳能电池和半导体温差发电模块以串联方式连接。

在上述方法中，所述敏化电池模块单独工作输出功率最大时的电流值与温差发电模块单独工作输出功率最大时的电流值相等。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、提高了太阳能的利用率。

2、在串联供电时，可获得较高的输出电压和输出功率。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为太阳辐射的能量分布图；

图2a为本发明实施例的混合发电系统的结构示意图；

图2b为本发明实施例的混合发电系统的敏化太阳能电池的结构示意图；

图3a为本发明实施例的混合发电系统处于独立供电时的电路示意图；

图3b为本发明实施例的混合发电系统处于串联供电时的电路示意图；

图4为本发明实施例的混合发电系统的电流电压输出特性曲线。

具体实施方式

[实施例1]：

图2a为本发明实施例的混合发电系统，该系统包括敏化太阳能电池100、半导体温差发电模块200及散热模块300。图2b为敏化太阳能电池的结构示意图。如图2b所示，敏化太阳能电池100由光阳极、电解质和对电极组成，其中光阳极为制备在诸如钛片或钛箔的基底101上的多孔TiO₂薄膜103，其表面附有钌染料作为敏化剂；对电极为覆在诸如透明导电玻璃或透明导电塑料的基底102上的诸如热解铂的催化层104；电解质105为准固体或固体电解质。如图2a所示，敏化太阳能电池100和半导体温差发电模块200的热端之间设置有热端绝缘导热层400，该绝缘导热层可以为氧化铝陶瓷片、云母片或硅胶片，其上表面与敏化太阳能电池100的光阳极基底101的背面相粘合，下表面与半导体温差发电模块200的热端相粘合，该热端绝缘导热层的作用是避免光阳极基底101和半导体温差发电模块200的热端之间发生短路，同时保证了热量的高效传导。因此，当背光面基底，即本实施例中光阳极基底101所采用的材料为绝缘的时，则不需要该绝缘导热层400。半导体温差发电模块200包括导流片201、N型半导体202和P型半导体203。该模块200采用优值系数高的半导体材料(如Bi₂Te₃-Bi₂Se₃固溶体和Bi₂Te₃-Sb₂Te₃固溶体)，其热端裸露、冷端为绝缘导热性能优良的氧化铝陶瓷片204。该氧化铝陶瓷片204与散热模块300通过导热粘合剂粘合。散热模块300可以加风扇进行风冷，或浸泡在水里进行水冷。在本实施例中，均采用导热粘合剂进行粘合，所述导热粘合剂的例子包括但不限于导热硅胶、散热膏、环氧树脂导热胶或导热压敏胶粘剂。

本发明混合发电系统的工作原理是：敏化太阳能电池吸收太阳光，其中紫外和可见光区的光能转换为电能输出，而红外区的光能则转换为热量使电池温度升高。升温后的电池作为热源，将热量源源不断的传递给温差发电模块的热端，而温差发电模块的冷端则通过散热模块始终维持在恒定温度。于是，温差发电模块P型、N型半导体之间形成温度差，实现温差发电。

在实际发电时，本发明的混合发电系统具有两种使用方式，既可以将敏化太阳能电池和半导体温差发电模块分别单独作为电源输出功率，也可以将敏化太阳能电池和半导体温差发电模块串联后作为电源输出功率。以下将分别对这两种情况作具体说明。

如图3a所示，为本发明的混合发电系统处于独立供电时的电路示意图。其中敏化太阳能电池100的正、负极接线端a和b连接到负载c1上，半导体温差发电模块200的正、负极接线端a’和b’连接到负载c2上，由此可以看出，通过让敏化太阳能电池的两个电极与半导体温差发电模块的两个电极分别连接不同负载，实现向外界独立供电。

如图3b所示，为本发明的混合发电系统处于串联供电时的电路示意图。其中，敏化太阳能电池100的负极接线端b和半导体温差发电模块200的正极接线端a’相连接，敏化太阳能电池100的正极接线端a和半导体温差发电模块200的负极接线端b’连接到负载c3上，由此来实现二者的串联供电。

图4为本发明的混合发电系统的电流电压输出特性曲线。图中分别示出了将敏化太阳能电池及温差发电模块分别作为电源、以及将它们串联作为电源的电流电压输出特性曲线。从图中可以看出，单独利用敏化太阳能电池发电时的最大输出电压为1460mV，最大输出功率为40.56mW，温差发电模块的最大输出电压为195mV，最大输出功率为4.88mW；组装成串联供电的混合发电系统后，最大输出电压为1650mV，最大输出功率可达45.23mW，从而得到比单一器件更大的电压及输出功率。要使该混合发电系统达到这种最佳效果，通常应使敏化电池模块单独工作输出功率最大时的电流值与温差发电模块单独工作输出功率最大时的电流值相等。

[实施例2]：

在实施例2的混合发电系统中，染料敏化太阳能电池的光阳极基底为制备在透明导电玻璃或透明导电塑料上的多孔ZnO薄膜，其上的敏化剂为有机染料，对电极基底为覆在石墨类或金属类导电材料上的聚吡络，电解质为准固体或固体电解质。温差发电模块的热端直接粘在敏化太阳能电池的对电极基底背面，温差发电模块的冷端与铝制风冷式散热器通过导热硅胶紧密粘合在一起。该混合发电系统的使用方法与实施例1相同。

[实施例3]：

在实施例3的混合发电系统中，染料敏化太阳能电池的光阳极和对电极基底相同，均为透明导电玻璃或透明导电塑料，光阳极为多孔TiO₂薄膜，敏化剂为钌染料，电解质为液体或离子液体电解质，对电极为热解铂。温差发电模块的热端直接粘在敏化太阳能电池的对电极基底背面，温差发电模块的冷端绝缘导热板与铝制风冷式散热器通过导热硅胶紧密粘合在一起。该混合发电系统的使用方法与实施例1相同。

[实施例4]：

在实施例3的混合发电系统中，染料敏化太阳能电池的光阳极和对电极基底相同，均为透明导电玻璃，光阳极为TiO₂纳米管阵列，敏化剂为CdSe，电解质为含有S^2-、S₂ ^2-氧化还原电对的液体电解质，对电极为碳多孔膜。温差发电模块的热端直接粘在敏化太阳能电池的对电极基底背面，温差发电模块的冷端绝缘导热板与铝制水冷式散热器通过导热硅胶紧密粘合在一起。该混合发电系统的使用方法与实施例1相同。

在上述实施例中，背光面指的是敏化太阳能电池不受太阳光照射的那面，由于对电极和光阳极均可以作为受光面，因此可以理解，背光面包括对电极或光阳极两种情况(如上述实施例1、2中的情况)。

对于本领域普通技术人员应该理解，上述实施例仅为示意性的，所述敏化太阳能电池中的对电极基底和光阳极基底的材料可以相同，也可以不同。制作在所述光阳极基底上的纳米晶半导体薄膜的例子包括但不限于TiO₂、ZnO、SnO₂等。所述敏化剂可包括有机和无机两类，其中无机类敏化剂包括钌、锇类的金属多吡啶配合物、金属卟啉、金属酞菁和无机量子点等；有机敏化剂包括天然染料和合成染料。所述电解质从其导电机理方面可分为利用氧化还原电对的电解质、利用无机半导体体系的电解质、利用有机空穴传输材料的电解质和利用高分子体系的电解质等。所述对电极基底可以采用其他导电基底，并且所述催化层可以由诸如石墨、铂或导电聚合物制成。

本发明将敏化太阳能电池和半导体温差发电模块相结合，利用敏化太阳能电池的效率跟温度的正相关性与温差发电模块的大温差要求相一致的特点，使本发明的混合发电系统能充分利用太阳光全光谱发电，克服了敏化太阳能电池只能吸收紫外和可见光发电的缺陷，从而提高了太阳能的利用率。并且，敏化太阳能电池的电子、离子迁移率随着温度升高而增大，从而进一步提高了光电转换效率。本发明既可以制作成体积小、易携带的小功率太阳能混合发电电源，也可以制作成大面积太阳能混合发电板，架设在车顶、房顶等，具有广泛的应用前景。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims

1.一种混合发电系统，包括半导体温差发电模块和散热模块，其特征在于，还包括敏化太阳能电池，其中所述半导体温差发电模块的热端与所述敏化太阳能电池的背光面基底相粘合，半导体温差发电模块的冷端与所述散热模块相粘合。

2.根据权利要求1所述的混合发电系统，其特征在于，当所述背光面基底为导电的时，在所述半导体温差发电模块的热端与所述背光面之间设有绝缘导热层。

3.根据权利要求2所述的混合发电系统，其特征在于，所述绝缘导热层包括氧化铝陶瓷片、云母片或硅胶片。

4.根据权利要求1所述的混合发电系统，其特征在于，所述半导体温差发电模块的冷端为氧化铝陶瓷片，其与所述散热模块相粘合。

5.根据权利要求1所述的混合发电系统，其特征在于，所述粘合为采用导热粘合剂粘合在一起。

6.根据权利要求5所述的混合发电系统，其特征在于，所述导热粘合剂包括导热硅胶、散热膏、环氧树脂导热胶或导热压敏胶粘剂。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的混合发电系统，其特征在于，所述散热模块设有风冷式或水冷式散热器。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的混合发电系统，其特征在于，所述敏化太阳能电池包括光阳极和对电极，所述光阳极和对电极的基底包括金属材料、透明导电的玻璃或塑料。

9.一种权利要求1所述的混合发电系统的使用方法，其特征在于，将所述敏化太阳能电池和半导体温差发电模块以串联方式连接。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述敏化电池模块单独工作输出功率最大时的电流值与温差发电模块单独工作输出功率最大时的电流值相等。