王立舒，黨舒俊，蘇繼恒，侯瑞雯，李 瑩，劉 爽

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熱開關(guān)控制光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電裝置設(shè)計提高發(fā)電效率

王立舒，黨舒俊，蘇繼恒，侯瑞雯，李 瑩，劉 爽

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

為解決光伏電池板接收太陽輻射發(fā)電時板面溫度上升導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降的問題，該文通過溫差發(fā)電技術(shù)對光伏電池板進行主動冷卻；同時為解決溫差發(fā)電技術(shù)因溫差較小時熱電轉(zhuǎn)換效率低下的問題，引入熱開關(guān)對裝置進行控制，并采用扁平熱管作為傳熱單元，利用水對流為系統(tǒng)進行冷卻。為測試基于熱開關(guān)的光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電裝置的性能，分析了不同光輻射強度、不同板面溫度、以及不同冷端溫度對系統(tǒng)的影響，并搭建試驗平臺，對聯(lián)合發(fā)電裝置進行試驗研究。結(jié)果表明，裝置聯(lián)合發(fā)電效率高于單獨一種發(fā)電方式的效率，實現(xiàn)了能量的梯級利用。在對裝置進行瞬時性能測試期間，發(fā)電效率最高達到19.45%，發(fā)電功率最大達到32.15 W。在6 d全天性能測試期間，聯(lián)合發(fā)電裝置的平均發(fā)電效率為17.72%，最高可達18.37%。所獲電能基本可以滿足農(nóng)業(yè)溫室大棚檢測系統(tǒng)、遠程傳感器的供電要求。

光伏；發(fā)電；溫差；熱開關(guān)；扁平熱管

0 引 言

光伏電池吸收太陽輻射能進行發(fā)電，只能利用太陽光譜中波長較短的部分，而其余大部分能量都會以熱能的形式存儲在光伏電池中，使得光伏電池板面的溫度持續(xù)上升，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)化效率的下降[1-2]。若光伏組件長期處于高溫狀態(tài)，板面就會變黃開裂，導(dǎo)致使用壽命減短[3]。因此，光伏電池冷卻技術(shù)尤為關(guān)鍵[4]。在過去的幾十年里，已經(jīng)提出了幾種主動和被動的冷卻方法，Royne等[5]對各種冷卻方法進行了全面的綜述。在各種被動冷卻的方法中，光伏系統(tǒng)的熱量都被排斥到了外部環(huán)境，而主動冷卻的方法卻可以將系統(tǒng)的廢熱進行二次利用，其中光伏/熱電（photovoltaic/thermoelectricity，PV/TE）這種方式潛力巨大，可以同時實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與熱電轉(zhuǎn)換[6-9]。

近幾年來，溫差發(fā)電技術(shù)在低品位廢余熱的回收與利用方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，而系統(tǒng)發(fā)電效率的提升是該技術(shù)推廣的關(guān)鍵[10-11]。Van Sark[12]提出了PV/TE聯(lián)合系統(tǒng)的概念，利用溫差發(fā)電器（thermoelectric generator，TEG）收集光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的廢熱進行發(fā)電。Hamidreza Najafi等[13]對PV/TE系統(tǒng)進行了仿真，并在夏季條件下對系統(tǒng)進行了測試與評估，但針對季節(jié)內(nèi)的天氣變化與季節(jié)變化明顯的北方地區(qū)，單獨的PV/TE系統(tǒng)難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。Kossyvakis等[14]采用不同的太陽能電池材料，分別與幾種不同幾何形狀的熱電單元進行測試來尋找發(fā)電效率理想的最佳組合。但在以上研究中，光伏電池剛開始接收太陽輻射板面溫度不高，或板面溫度趨于環(huán)境溫度時，溫差過小使得TEG發(fā)電效率過于低下，不僅影響TEG的使用壽命，而且降低了輸出的電能質(zhì)量。茍小龍等[15]針對溫差發(fā)電系統(tǒng)因熱源波動而造成性能下降問題，采用了熱開關(guān)對系統(tǒng)加以控制，保證了輸出的穩(wěn)定性。

因此本文引入熱開關(guān)的思想來實現(xiàn)對PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置的控制，在實現(xiàn)能量梯級利用的同時[16]，提升裝置的發(fā)電效率、增強裝置的環(huán)境適應(yīng)性，并使輸出電能相對穩(wěn)定。最后搭建試驗平臺，對裝置的性能進行測試研究。

1 裝置整體結(jié)構(gòu)

1.1 聯(lián)合發(fā)電部分的組成及工作原理

該裝置主要包括光伏電池板、TEG組、熱開關(guān)部分、冷卻部分、儲能裝置等，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏電池板接收太陽輻射發(fā)電的同時，也開始蓄熱，電池板大小為520 mm×420 mm（長×寬）。托架上依次放置的是TEG組與扁平熱管，與積聚熱量后的電池板組成聯(lián)合發(fā)電裝置。TEG組由18個半導(dǎo)體材料為銻化鉍的熱電模塊串并聯(lián)混合組成，其中每個TEG的大小為40 mm×40 mm× 3.8 mm（長×寬×高），選擇6個TEG串聯(lián)為一組，然后3組并聯(lián)組成TEG組放在熱管上，TEG左右間距為40 mm，上下間距30 mm，如圖2所示。水箱與扁平熱管組成聯(lián)合發(fā)電裝置的散熱部分，TEG冷端固定在熱管蒸發(fā)段，而熱管冷凝段采用硅酮膠固定密封于冷卻水箱內(nèi)，熱管蒸發(fā)段為480 mm×240 mm（長×寬），冷凝段為300 mm× 240 mm（長×寬）。水箱為300 mm×300 mm（長×寬），內(nèi)部流動的水帶走熱管上絕大部分熱量，降低TEG組的冷端溫度，從而產(chǎn)生較大的溫差。托架為850 mm×400 mm（長×寬），用以托撐裝置。

1. 光伏電池板 2. 溫差發(fā)電器組 3. 扁平熱管蒸發(fā)段 4. 扁平熱管冷凝段 5. 水箱 6. 進水口 7. 出水口 8. 托架 9. 發(fā)電系統(tǒng)控制器 10. 儲能裝置 11. 開關(guān)傳動裝置 12. 開關(guān)系統(tǒng)控制器 13. 支撐架

圖2 溫差發(fā)電器組

1.2 熱開關(guān)的工作原理及設(shè)計

光伏電池板在接收太陽輻射過程中，不僅充當(dāng)著發(fā)電單元，也是蓄熱體和傳熱體。作為蓄熱體，電池板接收太陽輻射的同時，熱量in不斷聚積，板面溫度升高；作為傳熱體，可以與TEG組相接，將聚積的熱量向下傳遞。此外，當(dāng)光伏電池剛開始接收太陽輻射，板面溫度不高或板面溫度趨于環(huán)境溫度時，傳遞的熱量所產(chǎn)生的溫差難以滿足TEG的需求，使其發(fā)電效率過于低下，此時就不需要TEG組進行主動冷卻。因此，引入熱開關(guān)對發(fā)電裝置進行控制，其原理圖如圖3所示。

當(dāng)PV≥on（預(yù)設(shè)值）時，熱開關(guān)閉合，Q＞0，板面向TEG組傳遞熱量，溫差模塊開始發(fā)電；相反，當(dāng)PV＜o(jì)ff（預(yù)設(shè)值）時，開關(guān)斷開，t≈0。在開關(guān)閉合期間，電池板面向下傳遞熱量，自身溫度相對下降，不僅提高了光伏發(fā)電效率，也延長了電池的使用壽命。如此循環(huán)，溫差發(fā)電模塊也只在預(yù)定的on～off溫度區(qū)間內(nèi)工作，高效且穩(wěn)定[17]。

該熱開關(guān)部分主要包括傳送帶、主從動齒輪、嚙合齒輪組、電機等，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

注：Qin為光伏電池板積聚的熱量；Qt為傳遞到溫差發(fā)電模塊的熱量；TPV為光伏電池板溫度；Ton為熱開關(guān)閉合溫度；Toff為熱開關(guān)斷開溫度；PPV為光伏發(fā)電功率；PTEG為溫差發(fā)電功率；Phybrid為裝置整體輸出功率。

1. 支撐架 2. 傳送帶 3. 托板 4. 主動齒輪 5. 嚙合齒輪組 6. 電機 7. 控制器 8. 從動齒輪

將傳送帶與主、從動2個齒輪嵌在一起，固定在支撐架的上下兩端，上端為從動齒輪，下端為主動齒輪。主動齒輪通過連接桿與嚙合齒輪組連接，控制器控制電機轉(zhuǎn)動帶動嚙合齒輪組[18]，熱開關(guān)的托板與聯(lián)合發(fā)電裝置的托架相固定，由此實現(xiàn)溫差發(fā)電模塊與光伏發(fā)電模塊之間的調(diào)距功能，亦稱為開關(guān)功能。

1.3 冷卻裝置的設(shè)計及工作原理

裝置冷卻部分的功能是為溫差發(fā)電模塊的冷端進行降溫，研究中采用水冷對裝置進行散熱。這種散熱方式能夠保證冷端溫度的穩(wěn)定性，從而穩(wěn)定模塊的輸出功率。為使裝置的散熱性能更加良好，設(shè)計中選取了扁平熱管來加強傳熱。

熱管是利用毛細作用及自身內(nèi)部液體工質(zhì)的相變來高效傳熱的元件。其中熱管的高溫處稱為蒸發(fā)段（evaporator），低溫處稱為冷凝段（condenser）。

熱管的工作原理如圖5所示。熱流由高溫處穿過金屬管壁進入毛細吸液芯中，毛細吸液芯內(nèi)的工作液受熱蒸發(fā)。蒸發(fā)后的汽體匯聚到中空管內(nèi)，同時在壓力差的作用下由高溫處向低溫處流動。當(dāng)汽體到達低溫處時便開始冷凝將熱量放出，此過程中，熱量由汽體穿過毛細吸液芯、液態(tài)工質(zhì)及金屬管壁而傳入冷凝段變?yōu)橐簯B(tài)，而后自冷凝的液態(tài)工質(zhì)在毛細吸液芯的作用下流回蒸發(fā)段完成下一個循環(huán)，熱量便由高溫處傳到了低溫處[19]。

1. 蒸汽 2. 液體 3. 吸液芯 4. 熱管管殼 5. 蒸發(fā)段 6. 冷凝段

如表1所示，設(shè)計中所采用的扁平熱管與常規(guī)熱管相比，在相同流速情況下?lián)Q熱系數(shù)大、換熱效率高。除此之外，還具有良好的管外流動性能，阻力小、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[20]。

表1 管外平均換熱系數(shù)

基于以上分析，本文選擇扁平熱管作為溫差發(fā)電模塊的換熱單元，將溫差發(fā)電片表面均勻涂抹導(dǎo)熱硅膠貼于扁平熱管蒸發(fā)段，并將冷凝段置于水箱內(nèi)實現(xiàn)裝置的散熱功能。

2 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值分析與仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)從溫度上升至熱開關(guān)閉合，再到溫度下降熱開關(guān)斷開后的一段時間內(nèi)為一個周期。

基于熱開關(guān)的光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的總體發(fā)電效率為

周期的時間段為12；在onoff時間段：熱開關(guān)閉合，=1；在1on、off2時間段：熱開關(guān)斷開，=0。

其中光伏電池發(fā)電功率PV（W）為

式中為太陽輻照度，W/m2；PV為光伏電池表面積，m2。

PV(GPV)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光電轉(zhuǎn)換效率[21]。

式中PV為光伏電池溫度，K；ref取298(標(biāo)準(zhǔn)測試條件25 ℃，STC)，K；為效率溫度系數(shù)，取0.004 5。

（12）內(nèi)平均光伏發(fā)電效率：

溫差電池發(fā)電功率(W)：

式中h，c分別為溫差電池?zé)?、冷端溫度，K；L為溫差電池負載電阻，?；TEG為溫差電池的塞貝克系數(shù)；TEG為溫差電池的總內(nèi)阻，?。

溫差電池的熱電轉(zhuǎn)換效率表達式如式（6）[22]。

Carnot為卡諾效率，定義為式（7）。

onoff時段平均溫差發(fā)電效率如式（8）。

式中PN為溫差電池?zé)嶙?，K/W，表達式為式（9）[23]。

式中TEG為溫差電池導(dǎo)熱率，W/(m2·K)；為溫差電池組件中溫差電偶的對數(shù)。

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)全天平均效率：

瞬時效率：

2.2 仿真結(jié)果與分析

結(jié)合表2和表3中的參數(shù)，利用Matlab進行數(shù)學(xué)模型求解，并對光伏電池及溫差電池進行仿真分析。

表2 光伏電池參數(shù)

表3 溫差電池參數(shù)

對光伏電池進行仿真[24-26]，光伏電池封裝圖如圖6a所示。

注：V為輸入電壓；T為電池板面溫度；S為光照強度； U為輸出電壓；I為輸出電流；P為輸出功率；U-I為電壓-電流特性曲線；U-P為電壓-功率特性曲線。其他參數(shù)具體數(shù)值見表2。

圖6b中電池板面溫度設(shè)定為25 ℃；圖6c圖中光照強度設(shè)定為1 000 W/m2。對圖6b、6c進行分析，可以看出相同溫度下，輸出功率隨光照強度的上升而提高；而光伏電池的最大功率點及輸出功率隨溫度的升高而下降，由此看出電池板面溫度的上升對發(fā)電影響較大。

對溫差電池進行仿真[27-30]，溫差電池封裝圖如圖7a所示。

注：Th為溫差模塊熱端溫度；Tc為溫差模塊冷端溫度；Td為冷熱端溫度差值；RL為負載電阻；η為熱電轉(zhuǎn)換效率；Td-I為溫差-電流特性曲線；Td-U為溫差-電壓特性曲線；Td-P為溫差-功率特性曲線；Td-η為溫差-效率特性曲線。其他參數(shù)具體數(shù)值見表3。

從圖7b中可以看出，隨著溫差不斷地加大，輸出功率不斷提升；另外，在相同溫差條件下，冷端溫度越低，發(fā)電量越多，也就說明了溫差發(fā)電過程中冷端散熱的必要性，散熱方法的改進也有助于提升系統(tǒng)發(fā)電量，所以本文選擇了扁平熱管作為傳熱單元，并采用水冷進行散熱。

對光伏電池及溫差電池的效率進行仿真分析，如圖7c所示。設(shè)定溫差為15 ℃時熱開關(guān)閉合，與普通發(fā)電系統(tǒng)相比，帶熱開關(guān)的發(fā)電系統(tǒng)，其效率有所提升且工作區(qū)間相對高效。

熱開關(guān)閉合后的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)與普通光伏發(fā)電系統(tǒng)的對比如圖8所示。隨著太陽輻照度的增加，發(fā)電效率均有所下降，但相比之下，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的效率高于同等條件下的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)與聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的對比

綜合以上的仿真分析，帶有熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)相較于單一的PV發(fā)電系統(tǒng)和TEG發(fā)電系統(tǒng)而言，發(fā)電效率及輸出電能的穩(wěn)定性都有所提升。

3 性能試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗平臺設(shè)計

本研究處于理論與試驗分析階段，選取的試驗設(shè)備（光伏電池板、溫差發(fā)電片等）的面積以及數(shù)量僅為完成此次試驗研究。在試驗環(huán)境下，搭建裝置并進行性能測試，為下一步的研究以及實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化打下理論與實踐基礎(chǔ)。

本試驗的測量地點為哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)（45°72′N，126°68′E），在2017年8月22日到8月27日對系統(tǒng)進行搭建并測試性能。測量的主要參數(shù)有：太陽輻照度、環(huán)境溫度、光伏電池板溫度、TEG熱、冷端溫度，對該裝置的輸出功率、光電轉(zhuǎn)換效率、熱電轉(zhuǎn)換效率及PV/TE系統(tǒng)效率進行研究。系統(tǒng)測試裝置連接示意圖如圖9所示。根據(jù)哈爾濱地區(qū)緯度與常年使用要求，將光伏電池板與水平面所成角度設(shè)定在40°～50°之間。

試驗主要針對聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電性能與熱性能進行測試。T1～T3均勻布置在光伏電池板正面，測量結(jié)果的平均值作為光伏電池板的溫度PV；T4～T5均勻布置在光伏電池板背面，測量結(jié)果的平均值作為TEG熱端溫度h；T6～T7布置在熱管下表面，測量結(jié)果取均值作為TEG的冷端溫度c；T8、T9布置在水箱的進水口，T10、T11布置在水箱的出水口，分別對工作流體進出口的溫度wi、wo進行測量；并在水箱進水口裝配轉(zhuǎn)子流量計以讀取冷卻水流量并進行調(diào)節(jié)。裝置的各部分溫度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，同U/I監(jiān)測數(shù)據(jù)傳入STM32F407中，單片機與上位機之間選擇無線連接的方式，最后無線接收模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)RS-232串口通信上傳至上位機，通過LabVIEW軟件進行觀測與記錄。除此之外，熱開關(guān)的斷開與閉合由STM32F407控制，當(dāng)PV≥on（295.5 K）時，熱開關(guān)閉合，實現(xiàn)聯(lián)合發(fā)電；當(dāng)PV＜o(jì)ff（293.5 K）時，熱開關(guān)斷開，僅光伏電池進行發(fā)電，通過STM32F407的控制實現(xiàn)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的高效與穩(wěn)定。試驗裝置實物連接如圖10a所示，LabVIEW監(jiān)測界面如圖10b所示。

注：T1～T11為K型貼片式熱電偶。

圖10 試驗平臺及監(jiān)測系統(tǒng)

3.2 測試參數(shù)的計算分析

基于熱開關(guān)的光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電裝置所獲得的電能與相關(guān)效率通過以下公式計算。

光伏發(fā)電功率：

溫差發(fā)電功率：

光伏發(fā)電效率：（通過公式（2）逆推）

溫差發(fā)電效率：

基于熱開關(guān)的光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電功率及效率分別由式（1）及式（11）給出。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置瞬時性能分析

從2017年8月27日上午08:00開始對裝置進行試驗，運行10 h，在下午18:00時結(jié)束。在試驗期間內(nèi)環(huán)境溫度T的變化范圍在287.5～301.24 K之間，光輻照度的變化范圍在410.8～740.3 W/m2之間（圖11）。

注：試驗日期2017-08-27；系統(tǒng)冷卻水流量為6.0 L·min–1；入水口冷卻溫度為288 K；下同。

在測試系統(tǒng)中，on設(shè)置為295.5 K，off設(shè)置為293.5 K。圖12為試驗期間發(fā)電裝置各部分溫度參數(shù)變化。試驗的開始階段，裝置各部分表面溫度與環(huán)境溫度相近。隨著光照強度的變化，試驗裝置溫度曲線呈現(xiàn)先增加，然后趨于穩(wěn)定，最后下降的趨勢。其中光伏部分在熱開關(guān)斷開時（試驗剛開始階段），板面溫度與環(huán)境溫度大致相同，隨著光照強度與環(huán)境溫度的升高，板面溫度不斷上升。當(dāng)熱開關(guān)閉合后，光伏電池板熱量向下傳遞，板面溫度上升速率減緩，溫差電池?zé)岫藴囟妊杆偕仙?，兩者均?3:00左右達到溫度最高點，光伏電池板面溫度范圍在288.8～319.6 K，溫差電池溫度范圍在296.3～315.9 K（熱開關(guān)閉合期間）；溫差電池冷端溫度在熱管冷卻的作用下大幅低于熱端溫度，但隨著環(huán)境溫度的上升略有升高，范圍在286.4～298.5 K，總體變化幅度大不。

注：對TEG熱端、冷端溫度的測量僅在熱開關(guān)閉合期間內(nèi)，在熱開關(guān)斷開時并未對TEG模塊進行測溫。

圖13a，13b分別給出了基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置的輸出功率及發(fā)電效率隨時間變化的曲線。光伏電池在測試期間一直無間斷發(fā)電；當(dāng)在08:30左右光伏板面溫度達到on（295.5 K）時，熱開關(guān)閉合，TEG開始發(fā)電，直至16:50左右板面溫度下降到off（293.5 K），熱開關(guān)斷開，但TEG因熱端留有余溫會持續(xù)少量發(fā)電。

圖13 光伏發(fā)電、溫差發(fā)電、聯(lián)合發(fā)電裝置的發(fā)電功率及發(fā)電效率

試驗開始階段，隨著光照強度的增加，光伏發(fā)電功率及效率逐漸上升；在光照強度較大的時間段，光伏電池板面溫度過高，發(fā)電功率及效率有所下降；中午過后，由于太陽輻射入射角的變大以及光照強度的減弱，裝置整體的發(fā)電功率及效率呈現(xiàn)較快的下降趨勢。在試驗測試階段，光伏發(fā)電效率基本在15.5%～17.8%之間波動；瞬時功率在17.5～29.1 W之間波動。

在熱開關(guān)閉合之后，溫差發(fā)電單元熱端接收到傳遞的熱量，溫差迅速提升，溫差發(fā)電的功率及效率上升，之后隨溫度的變化上下波動。在測試階段，溫差發(fā)電效率在1.3%～1.68%之間波動；瞬時功率在1.2～3.1 W之間波動。

綜合圖12及13可知，在光伏電池板面溫度達到最高的時候，雖然光伏發(fā)電的效率及功率有所下降，但溫差發(fā)電單元功率及效率略微上升，所以裝置整體的發(fā)電功率及效率波動不大。在整個聯(lián)合發(fā)電裝置中，光伏發(fā)電部分占比較大，所以裝置整體發(fā)電曲線與光伏發(fā)電變化趨勢類似。

聯(lián)合發(fā)電裝置的效率高于單獨的光伏發(fā)電或溫差發(fā)電，瞬時功率在17.05～32.15 W之間，在13:00左右效率為19.45%，達到最大值，不僅實現(xiàn)了能量的梯級利用，還提高了對太陽能的利用率。

3.3.2 基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置全天性能分析

在2017年8月22日到8月27日內(nèi)對系統(tǒng)進行了為期6 d的全天觀測，測試的內(nèi)容主要包括：測試期間的太陽輻照量；測試期間的平均環(huán)境溫度；裝置各部分的平均溫度；聯(lián)合裝置的發(fā)電量及效率。測試期間冷卻部分水流速統(tǒng)一設(shè)置為6 L/min。表4為基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置的性能。由表4可知，在測試時間內(nèi)，環(huán)境溫度在292.0～296.2 K范圍內(nèi)變化；光伏電池平均溫度在305.5～310.7 K范圍內(nèi)變化；溫差電池?zé)岫似骄鶞囟仍?99.7～305.8 K范圍內(nèi)變化、冷端溫度在286.5～291.5 K范圍內(nèi)變化；裝置中光伏電池平均發(fā)電效率在15.92%～16.82%范圍內(nèi)變化、溫差電池平均發(fā)電效率在1.20%～1.55%范圍內(nèi)變化、系統(tǒng)平均發(fā)電效率在17.12%～18.37%范圍內(nèi)變化。裝置的發(fā)電效率波動不大，6 d的平均發(fā)電效率為17.72%。與不帶有熱開關(guān)的PV/TE系統(tǒng)相比，此設(shè)備的溫差發(fā)電器的工作溫度波動較小，使其在工作區(qū)間內(nèi)可以穩(wěn)定而高效地運行，在保護光伏電池板的同時，可以延長溫差發(fā)電器的使用壽命，從而系統(tǒng)整體的工作性能也得到了提升。

表4 全天性能分析

注：a為測試期間的平均環(huán)境溫度；wi為裝置冷卻水進口溫度；PV為光伏電池平均溫度；h為溫差電池?zé)岫似骄鶞囟?；c為溫差電池冷端平均溫度；PV為測試期間光伏電池的發(fā)電效率；TEG為測試期間溫差發(fā)電的發(fā)電效率；hybrid為測試期間聯(lián)合發(fā)電裝置的發(fā)電效率。進水流量為6 L·min-1；表中對TEG熱端、冷端溫度的測試以及功率的計算均在熱開關(guān)閉合期間。

Note:a: The average ambient temperature during the test;wi: System cooling water inlet temperature;PV: The average temperature of photovoltaic cells;h: The average temperature of TE’s hot end;c: The average temperature of TE’s cold end;PV: Efficiency of PV system;TEG: Efficiency of TE system;hybrid: Efficiency of PV/TE system. Water flow rate is 6 L·min-1; The testing of TEG hot and cold end temperatures and the calculation of power are shown in the table during the thermal switch closure.

4 結(jié) 論

本文提出的基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置，完成了光伏/溫差的聯(lián)合發(fā)電，實現(xiàn)了能量的梯級利用；通過設(shè)計的熱開關(guān)系統(tǒng)對裝置進行控制，完成了光伏發(fā)電模塊與溫差發(fā)電模塊的貼合與分離，實現(xiàn)了裝置在環(huán)境變化過程中的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；采用扁平熱管作為傳熱單元，通過水自然對流給裝置降溫，實現(xiàn)了良好的散熱功能。針對所設(shè)計的聯(lián)合發(fā)電裝置，首先建立了數(shù)學(xué)模型并對模型進行了仿真分析，然后在哈爾濱地區(qū)搭建試驗平臺并進行測試驗證，得出以下結(jié)論：

1）本設(shè)計提出基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置，通過加入溫差發(fā)電模塊，將光伏電池板面的熱量向下傳遞，提高了光伏發(fā)電的效率；同時傳遞的熱量作為溫差發(fā)電熱端的溫度來源，實現(xiàn)溫差發(fā)電。聯(lián)合發(fā)電裝置的功率及效率高于單獨的光伏或溫差發(fā)電方式。

2）本設(shè)計提出的熱開關(guān)裝置，實現(xiàn)了光伏發(fā)電模塊與溫差發(fā)電模塊的貼合與分離。通過熱開關(guān)的控制，一方面解決了光伏板面溫度升高而導(dǎo)致的效率下降，另一方面解決了溫差發(fā)電模塊因熱端溫度不足，溫差較小而導(dǎo)致的溫差發(fā)電效率過于低下從而器件損毀的問題。

3）通過建立數(shù)學(xué)模型并進行仿真分析，從低溫端溫度值影響角度來說，有效地的降低冷端溫度或者維持冷端溫度提高熱端溫度進而增加溫差的方法也是提高發(fā)電效果的有效途徑之一。本文設(shè)計的裝置散熱部分，應(yīng)用扁平熱管進行傳熱，提高了系統(tǒng)的發(fā)電量及效率。

4）對基于熱開關(guān)的PV/TE聯(lián)合發(fā)電裝置進行了瞬時性能的測試，聯(lián)合發(fā)電裝置的功率最高可達32.15 W，效率最高可達19.45%；在全天性能測試中，裝置的發(fā)電效率波動不大，6 d的平均發(fā)電效率為17.72%。通過數(shù)據(jù)可以看出，熱開關(guān)的加入，不僅增強了裝置環(huán)境適應(yīng)性，也提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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Design of PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch and its improving efficiency of power generation

Wang Lishu, Dang Shujun, Su Jiheng, Hou Ruiwen, Li Ying, Liu Shuang

(150030,)

In order to solve the problem of inefficiency of photovoltaic conversion caused by temperature rise when photovoltaic cell panel generates the electricity after receiving solar radiation, the present paper discussed about a method that the thermoelectric power generation technology could cool down the photovoltaic cell panel, this method was a kind of active cooling mode. However, when the temperature difference between the hot side and cold side of thermoelectric generator was close to each other, the thermoelectric conversion efficiency was too low, which had a negative effect on the device. To solve the above problem, the thermal switch was adopted to control the equipment, the switch would close when the temperature of the photovoltaic cell panel reached the predetermined value, and the heat passed down. On the contrary, the switch was in the off state. Through the control of the thermal switch, the thermoelectric generator could work stably and efficiently in the working range. Meanwhile, it could also improve the adaptive capacity to environment of the device. At the same time, the flat heat pipe had been chosen as the heat transfer unit, using water convection to cool down the system. After cooling the photovoltaic cell panel, not only its temperature would decrease, but also the service life could be extended. On the other hand, the cold side temperature of the thermoelectric generator could also decrease. Firstly, the present paper analyzed the effect caused by different intensity of optical radiation, different panel temperatures and different cold side temperatures in the system. Secondly, the whole experimental platform of system had been established. Last but not the least, the hybrid power generation system had been examined so as to test the property of hybrid power generation equipment which was based on PV/TE (photovoltaic/thermoelectricity) of thermal switch. The result revealed that the efficiency of hybrid power generation equipment was higher than a single electricity generating method included the photovoltaic power generation mode and the thermoelectric power generation mode. At the same time, the gradient utilization of energy could be realized by the equipment. In view of the experimental equipment had been built, the performance of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch was investigated in two different ways, including the instant property and full-day performance test. The instant property of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch was tested during 08:00-18:00 on August 27, 2017. The results showed that the efficiency of power generation could reach the peak point of 19.45% and the output of power generation could reach the peak point of 32.15 W. The full-day performance of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch was tested from August 22 to 27, 2017. The results showed that the average power generating efficiency of the PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch could reach 17.72% and its highest point could reach 18.37%. The test place was located in Northeast Agricultural University, Harbin. Finally, the test results showed the electricity acquired could basically meet the power supply needs of testing system of agricultural greenhouse and remote sensor.

photovoltaic; power generation; temperature difference; thermal switch; flat heat pipe

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.025

TK514; TM615; TM617

A

1002-6819(2018)-14-0196-09

2018-01-11

2018-05-05

教育部春暉計劃（Z2012074）；黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

王立舒，教授，博士，博導(dǎo)。研究方向為農(nóng)業(yè)電氣化與自動化、電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

王立舒，黨舒俊，蘇繼恒，侯瑞雯，李 瑩，劉 爽. 熱開關(guān)控制光伏/溫差聯(lián)合發(fā)電裝置設(shè)計提高發(fā)電效率[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(14)：196－204. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.025 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Dang Shujun, Su Jiheng, Hou Ruiwen, Li Ying, Liu Shuang. Design of PV/TE hybrid power generation device based on thermal switch and its improving efficiency of power generation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 196－204. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.025 http://www.tcsae.org