CN114826024A - 一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种无需储存的24小时光伏‑热电耦合发电系统，属于能源技术领域。包括外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置；外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置自上而下依次设置，其中辐射制冷器直接设置光伏组件下方；热电组件设置辐射制冷器的下方，散热装置贴在热电组件的下方；所述的散热装置包括肋基和针肋两部分，所述的肋基与热电组件平行设置，所述针肋与肋基连接，并插在土壤中。适用于全天候24小时无需储存电能的光伏‑热电耦合发电。

Description

一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统
技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种24小时光伏-热电耦合发电系统。
背景技术
以化石能源为主体的能源体系是造成全球变暖等全球环境问题的根源之一，化石能源日益枯竭，急需开发利用可再生能源，逐步替代化石能源在发电等国民生产生活方面的依赖。大力开发利用辐照到地球表面的太阳能，可以满足人们生产生活的需要。由于太阳能光电转换受限于半导体材料的禁带，只有光子能量高于禁带，即波长小于禁带截止波长的波段才能被转换为电能，其余的波段的能量会转换成多余的热量使光伏电池升温，且单纯的热电发电技术与光伏发电技术相比不具备竞争力，因此产生了光伏-热电耦合系统的概念，在光伏电池下部施加热电器件，来吸收光伏电池无法利用的太阳光并发电，从而提高太阳能的发电效率。传统的层叠式光伏-热电耦合系统直接将热电器件的热端连接在光伏电池的背面，冷端依赖被动式水冷或风冷冷却方式。然而目前的光伏和热电系统均依赖电池或相变材料储存电能在夜间使用，这就使得电能的应用受到约束，并且造成额外的成本，因此对于缺乏可靠的电力供应地区，比如在离网的农村地区来说，白天和夜晚都可以使用的无需储存的可再生能源发电技术是必要的，因此急需采用一种无需储存的新型光伏-热电耦合系统，实现24小时发电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，不额外消耗能量。
一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，包括外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置；
外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置自上而下依次设置，其中辐射制冷器直接设置光伏组件下方；热电组件设置辐射制冷器的下方，散热装置贴在热电组件的下方；
所述的散热装置包括肋基和针肋两部分，所述的肋基与热电组件平行设置，所述针肋与肋基连接，并插在土壤中。
进一步地，辐射制冷器与热电组件通过导热胶连接。
进一步地，热电组件与散热装置通过导热胶连接。
进一步地，所述的散热装置材质为铝。
进一步地，所述辐射制冷器为黑色辐射制冷器，其在300-2500nm波段的吸收率接近1。
进一步地，所述的热电组件为碲化铋热电组件。
进一步地，所述的热电组件包括绝缘陶瓷板，上下铜电极和热电引脚，其中热电引脚夹在上下铜电极之间，铜电极两端设置绝缘陶瓷板；热电引脚由P、N型半导体交替组成。
进一步地，P型半导体材料采用Sb2Te3，N型半导体材料采用Bi2Te3。
进一步地，所述的光伏组件包括光伏电池和设置在光伏电池表面的增透膜。
进一步地，所述的外层玻璃盖板采用高透光玻璃材料。
有益效果：
本发明可以实现土壤在白天将充当散热器，在夜间充当热源，与周围的空气相比，白天土壤的温度比空气低，夜晚土壤的温度比空气高，同时散热装置直接插入土壤中，以热传导的方式进行热量传递，相比暴露在空气中进行自然对流的散热器来说，其热流更高，有更好的性能。在本发明中，辐射制冷器在白天充当太阳能吸收器，充分吸收透过光伏组件的太阳光，在夜晚充当发射器，以接近于1的红外大气窗口发射率，将寒冷的外太空和温暖的土壤利用起来作为热电组件的冷源和热源。使得本发明在白天利用光伏-热电耦合系统进行发电，夜晚利用热电效应发电，实现了24小时无需储存的电能供应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1外层玻璃盖板，2光伏组件，3辐射制冷器，4导热胶，5陶瓷，6热电组件，7铜电极，8散热装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的结构原理和工作原理进行进一步详细说明。
具体实施方式一，
本实施方式为一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，利用太阳-地球-太空组成的天然三体辐射换热系统，太阳的温度为5800K，地球表面温度290K，而太空是一个天然冷源，其温度只有3K，且存在8-13微米的大气窗口。以辐射换热为桥梁，将光伏组件与辐射制冷器相结合，通过太阳能发电和辐射冷却，可以实现白天和夜晚连续的电能供应。白天，太阳能照射到光伏电池表面，通过有效的光伏电池表面光子管理技术，使得波长小于禁带截止波长的波段被光伏电池半导体利用，产生电能，其余波段透过光伏组件，进入热电组件进行温差发电，此时光伏组件作为热源，土壤作为冷源。夜晚，光伏组件失效，热电组件以土壤作为热源，以太空作为冷源，利用辐射制冷器在8-13微米大气窗口的高发射率，继续将温差转化为电能。如此实现24小时无需储存发电。
为了实现该目的，本发明采用的技术方案是：自上而下设置的外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置。
参见图1，无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统自上而下依次设置外层玻璃盖板1、光伏组件2、辐射制冷器3、热电组件6及散热装置8；辐射制冷器3与热电组件、热电组件与散热装置8分别通过导热胶4连接。
所述的外层玻璃盖板1采用高透光玻璃材料。
所述的光伏组件2包括：光伏电池表面增透膜和光伏电池，光伏电池包括：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、砷化镓电池、钙钛矿电池、铜铟镓硒电池、染料敏化电池。
所述的热电组件为商业碲化铋热电组件，所述的热电组件包括：绝缘陶瓷板5，铜电极7和热电引脚6，其中热电引脚6夹在上下铜电极7之间，在铜电极7的两端为绝缘陶瓷板5；热电引脚6由P、N型半导体交替组成，P型半导体材料采用Sb2Te3，N型半导体材料采用Bi2Te3。
散热装置8设置在土壤中，散热装置8包括肋基和针肋两部分，材质为铝，所述的肋基与热电组件的形状相同，且与热电组件平行设置，所述针肋垂直于肋基与肋基连接，针肋设置在土壤中，保证散热装置和土壤的换热效果。
辐射制冷器3直接设置光伏组件2下方，热电组件6设置辐射制冷器3的下方，散热装置8贴在热电组件6的下方。
无需储存的24小时光伏-热电耦合系统的工作过程如下：
选取半导体材料单晶硅为光伏电池材料，其禁带截止波长为1100nm。选取黑色辐射制冷器，其在300-2500nm波段的吸收率和大气窗口8-13微米的发射率均接近于1。本发明的其他部件选材能够与结构相适应，很好配合工作原理。
白天，太阳光透过玻璃盖板1，照射到硅光伏组件2上，波长小于禁带截止波长的部分太阳能(300-1100nm波段)被单晶硅光伏电池吸收，直接转化为电能，其余波段的太阳能透过光伏组件2，到达辐射制冷器3，由于辐射制冷器3在全波段的吸收率接近于1，因此能够确保对1100-2500nm波段太阳能的良好吸收，从而加热了贴在辐射制冷器下部的热电组件的顶表面，热电组件的底表面通过第二导热胶层接触设置在土壤中的散热装置，顶表面和底表面直接的温差使得热电组件产生电能，剩余部分通过散热装置8散发到土壤中。如此，白天实现光伏-热电耦合发电，提高了太阳光的利用效率。
夜晚，没有太阳光，光伏组件2失效，由于热电组件6的底表面相当于接入土壤中，土壤的温度高于外太空的温度，可以在夜晚充当热源，又因为辐射制冷器在红外大气窗口8-13微米波段的吸收率接近于1，即发射率接近于1，具备优秀的向外太空传递热量的能力，因此热电组件6在夜晚以土壤为热源，以外太空为冷源，仍能够利用温差进行发电，如此实现夜晚电能的供应。
在本发明中，土壤在白天充当散热器，在夜间则是热源，与周围的空气相比，白天土壤的温度比空气低，夜晚土壤的温度比空气高，同时散热装置直接插入土壤中，以热传导的方式进行热量传递，相比暴露在空气中进行自然对流的散热器来说，其热流更高，有更好的性能。在本发明中，辐射制冷器在白天充当太阳能吸收器，充分吸收透过光伏组件的太阳光，在夜晚充当发射器，以接近于1的红外大气窗口发射率，将寒冷的外太空和温暖的土壤利用起来作为热电组件的冷源和热源。本发明中采用的商业热电组件，使得本发明系统具有成本效益。
在本发明中，白天利用光伏-热电耦合系统进行发电，夜晚利用热电效应发电，实现了24小时无需储存的电能供应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，包括外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置；
外层玻璃盖板、光伏组件、辐射制冷器、热电组件及散热装置自上而下依次设置，其中辐射制冷器直接设置光伏组件下方；热电组件设置辐射制冷器的下方，散热装置贴在热电组件的下方；
所述的散热装置包括肋基和针肋两部分，所述的肋基与热电组件平行设置，所述针肋与肋基连接，并插在土壤中。
2.根据权利要求1所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，辐射制冷器与热电组件通过导热胶连接。
3.根据权利要求2所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，热电组件与散热装置通过导热胶连接。
4.根据权利要求3所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，所述的散热装置材质为铝。
5.根据权利要求4所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，所述辐射制冷器为黑色辐射制冷器，其在300-2500nm波段的吸收率接近1。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，所述的热电组件为碲化铋热电组件。
7.根据权利要求6所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，所述的热电组件包括绝缘陶瓷板，上下铜电极和热电引脚，其中热电引脚夹在上下铜电极之间，铜电极两端设置绝缘陶瓷板；热电引脚由P、N型半导体交替组成。
8.根据权利要求7所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于P型半导体材料采用Sb2Te3，N型半导体材料采用Bi2Te3。
9.根据权利要求8所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，所述的光伏组件包括光伏电池和设置在光伏电池表面的增透膜。
10.根据权利要求9所述的一种无需储存的24小时光伏-热电耦合发电系统，其特征在于，所述的外层玻璃盖板采用高透光玻璃材料。
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