温差发电(学术特稿：局部阴影下光热耦合发电系统的温差性能数值分析)

Posted 2023-06-01

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温差发电(学术特稿：局部阴影下光热耦合发电系统的温差性能数值分析)

光热联合发电系统受到光伏电池表面局部遮挡的影响，使得光伏表面受热不均匀而导致热电系统吸热过程中存在着温度不平衡，最终可能导致温差器件出现应力扩张的现象。广西科技师范学院、航天建筑设计研究院有限公司和深圳市正弦电气股份有限公司的研究人员提出采用有限元分析法分析局部阴影遮挡下光伏电池的温差性能系数。

他们研究了不同阴影的面积下，光伏电池背面的P-N结温差发电模型性能的热耦合情况。分析光伏电池的遮挡面积为0.02m2、0.12m2、0.22m2，热电吸热过程中温差器件的输出电压、电流、内阻以及功率的变化。

实验结果表明：内阻与光伏电池的遮挡面积和温度差无关；开路电压与光伏电池的遮挡面积和温度差近似地呈正相关；光热转换效率与光伏电池的遮挡面积和温度差呈负相关。

作者介绍

甄景龙，工程师，主要研究方向为电机控制新技术研究。

杨逸帆，工程师，主要研究方向为事故障诊断和模型仿真。

张维华，助教，主要研究方向为新能源发电技术。

研究背景

半导体温差发电器利用热电材料在温度差作用下发生的热电效应产生电流，从而将热能转换为电能。因此在吸热的过程中，温差发电器的热端温度及温度分布的均匀性和稳定性，将直接影响温差发电的性能。

在光热联合发电系统中，照射到光伏电池表面的辐射能小部分转化为电能，其余大部分转化为热量。导热介质带走光伏电池组件背面的热量，电池板的温度降低，光电转换效率提高，并且还能收集热能。

由于光热-耦合系统存在输出功率低以及传热效果差等问题，本文针对光热-耦合系统的性能进行深入的分析。

论文所解决的问题及意义

本文针对阴影遮挡光伏发电面积而造成温差器件受热不均匀的问题，利用有限元分析法建立温度场的分布情况，分析光伏电池的遮挡面积分别为0.02m2、0.12m2、0.22m2，温差器件的输出电压、电流、内阻以及功率的变化规律，为光热耦合发电系统的研究提供参考依据。

论文方法及创新点

本文制作三块遮光盖板来模拟局部阴影遮挡的面积，三块遮光盖板的面积分别为0.02m2、0.12m2、0.22m2。如图1所示，红色表示阴影遮挡光伏发电面积的温差受热面积，蓝色表示非阴影遮挡光伏发电面积的温差受热面积。

图1 温差器件的受热状况

从图1中分析可知，光伏电池的遮挡面积的增多，温差器件的阴影受热面积同时增大。阴影区和非阴影区的温差器件受热面温度分布均匀，从而保持温差器件的均衡性。

根据温差器件模型的相关参数以及试验环境的温度、太阳辐射强度、温差器件的表面温度等数据。为能够研究非阴影区与阴影区温度场的变化规律，选用光伏电池的遮挡面积为0.02m2作为其试验模型，利用有限元分析法建立起温差器件的温度场模型，如图2所示的模拟温差器件阴影区受热面和非阴影区受热面的温度场变化情况。

图2 模拟温差器件温度场的变化

结论

本文针对光伏电池的表面遮挡而造成光伏背面的P-N结温差器件受热不均匀的问题，采用有限元分析法分析温差器件温度场的分布状况，建立温度场的模型，分析其温差器件的性能数值，实验结果表明：内阻与光伏电池的遮挡面积和温度差无关；开路电压与光伏电池的遮挡面积和温度差近似地呈正相关；光热转换效率与光伏电池的遮挡面积和温度差呈负相关。

引用本文

张维华, 杨逸帆, 赵兵兵, 甄景龙, 康迪. 局部阴影下光热耦合发电系统的温差性能数值分析[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 48-54. ZHANG Weihua, YANG Yifan, ZHAO Bingbing, ZHEN Jinglong, KANG Di. Numerical analysis of temperature difference performance of photothermal coupled power generation system under partial shadow. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 48-54.