CN104362940A - 一种聚光光伏温差发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚光光伏温差发电系统，包括：温差发电片、散热片、太阳能发电片、导线、反射聚光镜、导热支架、漏孔；在太阳能电池板周围布置发光材料以增加入射光强，太阳能电池板通过太阳能聚光器之后温度会明显升高，在太阳能电池板的背面铺设温差发电片，将温差发电片的热端直接与太阳能发电片连接，在温差发电片与太阳能发电片之间填充导热胶以增加太阳能发电片与温差发电片热端之间的热传导，然后将温差发电片冷端通过散热片连接导热管直接连到地下，使得温差发电片冷端温度能够通过这种方式与地面进行热交换；降低了太阳能电池板的温度已提高发电效率，通过温差发电片将其能源进行二次利用，大大增加了发电效率；有效降低城市温度。

Description

一种聚光光伏温差发电系统

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，尤其涉及一种聚光光伏温差发电系统。

背景技术

光伏发电与温差发电在我们的生活中是两种低品味的发电方式，也就是说这两种发电方式对于能源的要求较低。光伏发电现在无论是在航天军事还是民用生活发面都比较成熟了。而以前温差发电由于其可靠性差、寿命短、效率低一直被搁置。但随着材料性能的提高靠温差组件可靠性增加温差发电展示除了广阔的应用前景。

光伏的发电是当光照射电池时，有一部分光会被半导体材料吸收。这意味着吸收的光能将传给半导体。能量会导致电子逸出使它们可以自由流动。光伏电池中还有一个或多个电场，可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动。电子的流动形成电流，通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点，我们可以将电流引出来，以供使用。

温差发电原理是将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温.由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差。将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。这种发电机在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能，且转换过程中不需要机械运动部件，也无气态或液态介质存在，因此适应范围广、体积小、重量轻、安全可靠、对环境无任何污染，是十分理想的电源.。温差发电的灵活、绿色、安静和微小体积的特性，使其可在许多领域发挥重要的作用。

无论从世界还是从中国来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的10％。随着人们生产发展一次性能源在逐渐减少，而太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。

在今后的十几年中，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国太阳能光伏发电发展潜力巨大。温差发电技术在航天、军用领域之中表现出了很好的应用前景，近年来在民用领域同样发展迅速。尽管现在温差发电效率普遍较低，但随着新型高性能热电材料以及性能可靠的温差发电器的研究与开发，温差发电技术将会更大地发挥其在低品位能源利用方面的优势。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种聚光光伏温差发电系统，旨在解决现有的温差发电存在的可靠性差、寿命短、效率低的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种聚光光伏温差发电系统，该聚光光伏温差发电系统包括：温差发电片、散热片、太阳能发电片、导线、反射聚光镜、导热支架、漏孔；

温差发电片设置在太阳能发电片的背面，温差发电片连接散热片，导线连接温差发电片，反射聚光镜设置在太阳能发电片的下方，导热支架设置在聚光光伏温差发电系统的最外侧，并与散热片连接，漏孔设置在反射聚光镜的中心位置。

进一步，该聚光光伏温差发电系统采用太阳能聚光技术，在太阳能电池板周围布置发光材料以增加入射光强。

进一步，温差发电片的热端直接与太阳能发电片连接，温差发电片冷端通过散热片连接导热管直接连到地下。

进一步，温差发电片与太阳能发电片之间填充导热胶以增加太阳能发电片与温差发电片热端之间的热传导。

进一步，温差发电片效率计算的方法：

温差电器件的最大发电效率推导如下，当温差电材料用作发电时，从热端吸收的热量QT分三部分：一是电流通过温差电材料时，将在热端吸热，在冷端放热，从热端吸收的热量为αIT1；二是热传导，为κ(T1-T2)A/L(T1>T2)；三是内阻焦耳热，计算表明传给热端和冷端的焦耳热各为I2R/2；负载上的能量输出P为I2RL；I为电流，T1，T2分别为热端和冷端的温度，RL为负载，L为材料的厚度，A为截面积，R为内阻，R又表示为R＝L/σA；温差电材料发电效率表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{P}{Q_T}=\frac{I^2{R}_L}{\mathrm{\αI}{T}_1-\frac{1}{2}{I}^{2}R+\mathrm{\κ}\frac{A}{L}(T_1-T_2)}---\left(1\right)$

RL＝RS，电流I可表示为I＝α(T1-T2)/R(1+S)，当两端的温度恒定时，上式中仅有S一个自由变量，将上式对S求导并令导数为0，就得到最大效率为：

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{T_1-T_2}{T_1}\·\frac{\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}-1}{\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}+T_2/T_1}---\left(2\right)$

其中，T为两端的平均温度(T1+T2)/2；当材料处于最大输出效率时，负载与材料内阻的比值为：

$S=\frac{R_L}{R}=\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}---\left(3\right)$

从(2)式知温差电器件的最大发电效率，跟材料优值Z和使用温度有关；优值越高，温差越大，发电效率越高，产业化的Bi₂Te₃基温差电材料ZT值为1，它的最高工作温度为550K；当高温端工作温度为550K，低温端为室温时，最大发电效率接近10％；

对于不同的内阻R，当效率最大时，输出功率以及与之相应的输入功率是不同的；因此应根据输入功率，来确定内阻值，也即A/L的比值；输入功率为QT，欲使其具有最大输出效率，则：

$Q_T\·{\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{{\left(\mathrm{\α\ΔT}\right)}^2}{{(R+R_L)}^2}\·R_L---\left(4\right)$

其中，ΔT为温差T1-T2；(4)式转化后得到：

$\frac{A}{L}=Q_T\·\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }{(1+S)}^2}{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^2\mathrm{S\σ}}---\left(5\right)$

从(5)式可知，在一定的输入功率下，应合理设计器件的A/L比值，使达到应有的最高效率；由(5)式还可知，当L减小时，A也应当减小，因而材料体积用量AL，理论上可以无限小考虑太阳能的能流密度，温差电元件按输入功率为800W时效率最大化设计，温差电材料的性能采用典型值，电导率为σ＝1.0×10⁵Ω^-1m^-1，Seebeck系数为α＝1.9×10^-4VK^-1，热导率为κ＝1.5Wm^-1K^-1，高温端温度为550K，低温端为300K，TZ为1.02，A/L设计为0.3m，如厚度L为1mm，则面积A为0.09cm²，当十二片发电片串联在一起，温差40℃电压达21.6V，温差60℃电压达28.8V。

进一步，太阳能发电片效率计算方法：

整体发电效率PR_E公式为：

${\mathrm{PR}}_E=\frac{\mathrm{PDR}}{\mathrm{PT}}$

—PDR为测试时间间隔(Δt)内的实际发电量；

—PT为测试时间间隔(Δt)内的理论发电量；

理论发电量PT公式中：

为光伏电站测试时间间隔(Δt)内对应STC条件下的实际有效发电时间；

－P为光伏电站STC条件下组件容量标称值；

－I0为STC条件下太阳辐射总量值，Io＝1000w/m²；

－Ii为测试时间内的总太阳辐射值；经计算和温差发电片同样大小面积的太阳能电池板通过聚光之后的输出电压12V。

本发明提供的聚光光伏温差发电系统，采用太阳能聚光技术，在太阳能电池板周围布置发光材料以增加入射光强，太阳能电池板通过太阳能聚光器之后温度会明显升高，在太阳能电池板的背面铺设温差发电片，将温差发电片的热端直接与太阳能发电片连接，在温差发电片与太阳能发电片之间填充导热胶以增加太阳能发电片与温差发电片热端之间的热传导，然后将温差发电片冷端通过散热片连接导热管直接连到地下，使得温差发电片冷端温度能够通过这种方式与地面进行热交换；不仅可以降低太阳能电池板的温度已提高发电效率，而且还可通过温差发电片将其能源进行二次利用，大大增加了发电效率；如果安装在城市，在夏天与地下进行热交换可缓解城市里的热岛效应，有效降低城市温度。本发明的结构简单，操作方便，较好地解决了现有的温差发电存在的可靠性差、寿命短、效率低的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的聚光光伏温差发电系统结构示意图；

图中：1、温差发电片；2、散热片；3、太阳能发电片；4、导线；5、反射聚光镜；6、导热支架；7、漏孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的聚光光伏温差发电系统主要由：温差发电片1、散热片2、太阳能发电片3、导线4、反射聚光镜5、导热支架6、漏孔7；

温差发电片1设置在太阳能发电片3的背面，温差发电片1连接散热片2，导线4连接温差发电片1，反射聚光镜5设置在太阳能发电片3的下方，导热支架6设置在聚光光伏温差发电系统的最外侧，并与散热片2连接，漏孔7设置在反射聚光镜5的中心位置。

本发明采用太阳能聚光技术，在太阳能电池板周围布置发光材料以增加入射光强，而太阳能电池板通过太阳能聚光器之后温度会明显升高，然后在太阳能电池板的背面铺设温差发电片；温差发电片的热端直接与太阳能发电片连接，在两者之间填充导热胶以增加太阳能发电片与温差发电片热端之间的热传导；所述的温差发电片冷端通过散热片连接导热管直接连到地下，使得温差发电片冷端温度能够通过这种方式与地面进行热交换；不仅降低了太阳能电池板的温度、提高发电效率，而且还可通过温差发电片将其能源进行二次利用，大大增加了发电效率；具体实施办法如下：

1.发电原理介绍

光伏的发电是当光照射电池时，有一部分光会被半导体材料吸收；这意味着吸收的光能将传给半导体；能量会导致电子逸出使它们可以自由流动；光伏电池中还有一个或多个电场，可以迫使由光吸收并释放的电子以一定方向流动；电子的流动形成电流，通过在光伏电池的顶部和底部安放金属触点，我们可以将电流引出来，以供使用；

温差发电原理是将两种不同类型的热电转换材料N和P的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温；由于高温端的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差.将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。这种发电机在有微小温差存在的条件下就能将热能直接转化为电能，且转换过程中不需要机械运动部件，也无气态或液态介质存在，因此适应范围广、体积小、重量轻、安全可靠、对环境无任何污染，是十分理想的电源；温差发电的灵活、绿色、安静和微小体积的特性，使其可在许多领域发挥重要的作用；

2.发电效率计算

2.1温差发电片效率计算

温差电器件的最大发电效率可推导如下；实际的温差电器件，都是由多对P型和N型温差电材料电串联而热并联使用；以单块N型或P型材料为研究对象；当温差电材料用作发电时，它从热端吸收的热量QT分三部分：一是电流通过温差电材料时，将在热端吸热，在冷端放热，从热端吸收的热量为αIT1；二是热传导，为κ(T1-T2)A/L(T1>T2)；三是内阻焦耳热，计算表明传给热端和冷端的焦耳热各为I2R/2；负载上的能量输出P为I2RL；这里I为电流，T1，T2分别为热端和冷端的温度，RL为负载，L为材料的厚度，A为截面积，R为内阻，R又可表示为R＝L/σA；温差电材料发电效率表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{P}{Q_T}=\frac{I^2{R}_L}{\mathrm{\αI}{T}_1-\frac{1}{2}{I}^{2}R+\mathrm{\κ}\frac{A}{L}(T_1-T_2)}---\left(1\right)$

设RL＝RS，电流I可表示为I＝α(T1-T2)/R(1+S)，当两端的温度恒定时，上式中仅有S一个自由变量，将上式对S求导并令导数为0，就得到最大效率为：

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{T_1-T_2}{T_1}\·\frac{\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}-1}{\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}+T_2/T_1}---\left(2\right)$

其中，T为两端的平均温度(T1+T2)/2；当材料处于最大输出效率时，负载与材料内阻的比值为：

$S=\frac{R_L}{R}=\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}---\left(3\right)$

从(2)式可知温差电器件的最大发电效率，跟材料优值Z和使用温度有关；优值越高，温差越大，其发电效率越高，但不可能高于卡诺效率；产业化的Bi2Te3基温差电材料ZT值约为1，它的最高工作温度约为550K；当高温端工作温度为550K，低温端为室温时，最大发电效率接近10％；

对于不同的内阻R，当效率最大时，其输出功率以及与之相应的输入功率是不同的；因此应根据输入功率，来确定内阻值，也即A/L的比值；设输入功率为QT，欲使其具有最大输出效率，则：

$Q_T\·{\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{{\left(\mathrm{\α\ΔT}\right)}^2}{{(R+R_L)}^2}\·R_L---\left(4\right)$

其中，ΔT为温差T1-T2；(4)式转化后得到：

$\frac{A}{L}=Q_T\·\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }{(1+S)}^2}{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\Δ}{T}^2\mathrm{S\σ}}---\left(5\right)$

从(5)式可知，在一定的输入功率下，应合理设计器件的A/L比值，使其达到应有的最高效率；由(5)式还可知，当L减小时，A也应当减小，因而材料体积用量AL，理论上可以无限小考虑太阳能的能流密度，温差电元件按输入功率为800W时效率最大化设计，温差电材料的性能采用典型值，电导率为σ＝1.0×10⁵Ω^-1m^-1，Seebeck系数为α＝1.9×10^-4VK^-1，热导率为κ＝1.5Wm^-1K^-1，高温端温度为550K，低温端为300K，TZ为1.02，A/L设计为0.3m，如厚度L为1mm，则面积A为0.09cm²，

可以证明，当多对N型和P型材料电串联热并联使用时，其最大效率不变，在厚度不变的情况下，温差电材料的用量不变，但内阻和输出电压上升，输出电流下降；可以把ns对N型和P型材料串联，当作把面积为A的材料切成2ns块后再串联；串联后，温差电材料中电流密度和原来一样，但输出电压为原来的2ns倍，输出电流变为原来的1/2ns；输出电流的大小与引出导线的粗细有关，ns越大，引出导线越细，导线成本可越小；但串联对数越多，制造温差电元件的工艺越复杂；在上述的发电单元中，当十二片发电片串联在一起，温差40℃电压达21.6V，温差60℃电压达28.8V；

稳压模块输出的是12V，5A，欲给12V铅酸蓄电池充电需要14.5V-15V，需要升压电路；找到12V升14.5V的升压电路，效率高，体积小，完全符合要求；

2.2太阳能发电片效率计算：

整体发电效率PRE公式为：

${\mathrm{PR}}_E=\frac{\mathrm{PDR}}{\mathrm{PT}}$

—PDR为测试时间间隔(Δt)内的实际发电量；

—PT为测试时间间隔(Δt)内的理论发电量；

理论发电量PT公式中：

为光伏电站测试时间间隔(Δt)内对应STC条件下的实际有效发电时间；

－P为光伏电站STC条件下组件容量标称值；

－I0为STC条件下太阳辐射总量值，Io＝1000w/m²；

－Ii为测试时间内的总太阳辐射值；

经计算和温差发电片同样大小面积的太阳能电池板通过聚光之后的输出电压12V。

3、本发明的聚光光伏温差发电系统采用太阳能聚光技术，在太阳能电池板周围布置发光材料以增加入射光强；而太阳能电池板通过太阳能聚光器之后温度会明显升高，于是便在太阳能电池板的背面铺设温差发电片；

温差发电片的热端直接与太阳能发电片连接，在两者之间填充导热胶以增加太阳能发电片与温差发电片热端之间的热传导；

温差发电片冷端通过散热片连接导热管直接连到地下，使得温差发电片冷端温度能够通过这种方式与地面进行热交换。

本发明的聚光光伏温差发电系统不仅降低了太阳能电池板的温度、提高了发电效率，而且还通过温差发电片将其能源进行二次利用，大大增加了发电效率；而且如果安装在城市，在夏天与地下进行热交换可缓解城市里的热岛效应，有效降低城市温度；通过这种发电方式发电，然后将电量储存起来；储存起来的电量可用于人们的日常生活；如路灯照明、应急供电等。

本发明的聚光光伏温差发电系统，将光伏发电与温差发电结合起来，增加了太阳能的利用；而且这种发电方式能够将光伏发电的余热加以利用而且能增加光伏发电的效率；利用聚光技术很好的增加了发电效率降低了成本投入；聚光光伏发电安装在城市之中可尝试建设汽车临时充电站，可提供在道路上行驶的电动汽车在电量耗空的情况下进行应急充电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种聚光光伏温差发电系统，其特征在于，该聚光光伏温差发电系统包括：温差发电片、散热片、太阳能发电片、导线、反射聚光镜、导热支架、漏孔；

温差发电片设置在太阳能发电片的背面，温差发电片连接散热片，导线连接温差发电片，反射聚光镜设置在太阳能发电片的下方，导热支架设置在聚光光伏温差发电系统的最外侧，并与散热片连接，漏孔设置在反射聚光镜的中心位置。

2.如权利要求1所述的聚光光伏温差发电系统，其特征在于，该聚光光伏温差发电系统采用太阳能聚光技术，在太阳能电池板周围布置发光材料以增加入射光强。

3.如权利要求1所述的聚光光伏温差发电系统，其特征在于，温差发电片的热端直接与太阳能发电片连接，温差发电片冷端通过散热片连接导热管直接连到地下。

4.如权利要求1所述的聚光光伏温差发电系统，其特征在于，温差发电片与太阳能发电片之间填充导热胶以增加太阳能发电片与温差发电片热端之间的热传导。

5.如权利要求1所述的聚光光伏温差发电系统，其特征在于，温差发电片效率计算的方法：

温差电器件的最大发电效率推导如下，当温差电材料用作发电时，从热端吸收的热量QT分三部分：一是电流通过温差电材料时，将在热端吸热，在冷端放热，从热端吸收的热量为αIT1；二是热传导，为κ(T1-T2)A/L(T1>T2)；三是内阻焦耳热，计算表明传给热端和冷端的焦耳热各为I2R/2；负载上的能量输出P为I2RL；I为电流，T1，T2分别为热端和冷端的温度，RL为负载，L为材料的厚度，A为截面积，R为内阻，R又表示为R＝L/σA；温差电材料发电效率表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{P}{Q_T}=\frac{I^2{R}_L}{{\mathrm{\αIT}}_1-\frac{1}{2}{I}^{2}R+\mathrm{\κ}\frac{A}{L}(T_1-T_2)}---\left(1\right)$

RL＝RS，电流I可表示为I＝α(T1-T2)/R(1+S)，当两端的温度恒定时，上式中仅有S一个自由变量，将上式对S求导并令导数为0，就得到最大效率为：

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{T_1-T_2}{T_1}\·\frac{\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}-1}}{\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}+T_2/T_1}---\left(2\right)$

其中，T为两端的平均温度(T1+T2)/2；当材料处于最大输出效率时，负载与材料内阻的比值为：

$S=\frac{R_L}{R}=\sqrt{1+Z\stackrel{\‾}{T}}---\left(3\right)$

从(2)式知温差电器件的最大发电效率，跟材料优值Z和使用温度有关；优值越高，温差越大，发电效率越高，产业化的Bi₂Te₃基温差电材料ZT值为1，它的最高工作温度为550K；当高温端工作温度为550K，低温端为室温时，最大发电效率接近10％；

对于不同的内阻R，当效率最大时，输出功率以及与之相应的输入功率是不同的；因此应根据输入功率，来确定内阻值，也即A/L的比值；输入功率为QT，欲使其具有最大输出效率，则：

$Q_T\·{\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{{\left(\mathrm{\α\ΔT}\right)}^2}{{(R+R_L)}^2}\·R_L---\left(4\right)$

其中，ΔT为温差T1-T2；(4)式转化后得到：

$\frac{A}{L}=Q_T\·\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }{(1+S)}^2}{{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\ΔT}}^2\mathrm{S\σ}}---\left(5\right)$

从(5)式可知，在一定的输入功率下，应合理设计器件的A/L比值，使达到应有的最高效率；由(5)式还可知，当L减小时，A也应当减小，因而材料体积用量AL，理论上可以无限小考虑太阳能的能流密度，温差电元件按输入功率为800W时效率最大化设计，温差电材料的性能采用典型值，电导率为σ＝1.0×10⁵Ω^-1m^-1，Seebeck系数为α＝1.9×10^-4VK^-1，热导率为κ＝1.5Wm^-1K^-1，高温端温度为550K，低温端为300K，TZ为1.02，A/L设计为0.3m，如厚度L为1mm，则面积A为0.09cm²，当十二片发电片串联在一起，温差40℃电压达21.6V，温差60℃电压达28.8V。

6.如权利要求1所述的聚光光伏温差发电系统，其特征在于，太阳能发电片效率计算方法：

整体发电效率PR_E公式为：

${\mathrm{PR}}_E=\frac{\mathrm{PDR}}{\mathrm{PT}}$

—PDR为测试时间间隔(Δt)内的实际发电量；

—PT为测试时间间隔(Δt)内的理论发电量；

理论发电量PT公式中：

为光伏电站测试时间间隔(Δt)内对应STC条件下的实际有效发电时间；

－P为光伏电站STC条件下组件容量标称值；

－Io为STC条件下太阳辐射总量值，Io＝1000w/m²；

－Ii为测试时间内的总太阳辐射值。