黃勵(lì)志

（安徽省阜陽市第三中學(xué)，安徽 阜陽236000）

1 研究背景

電對(duì)于人們來說是生活中最不可或缺的資源，無論是在通信、交通、娛樂、生產(chǎn)生活等方面都需要使用到電力資源，但目前在世界上還有很多國(guó)家的人仍因?yàn)楦鞣N因素用不上電，包括我國(guó)也存在著電力資源緊缺的問題。目前我國(guó)電力能源的來源主要有3 種，即火電、水電、核電和風(fēng)力發(fā)電，目前還是以火力發(fā)電為主，在一定程度上導(dǎo)致了環(huán)境污染。此外也利用太陽能發(fā)電，傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電設(shè)備存在許多不足，如光線較分散時(shí)強(qiáng)度往往不夠等。故本研究擬設(shè)計(jì)一個(gè)能夠充分利用太陽能資源進(jìn)行發(fā)電的高效、便捷、綠色的發(fā)電設(shè)備，解決我國(guó)電力資源短缺的問題。

2 研究目的

通過文獻(xiàn)閱讀了解現(xiàn)存的一些太陽能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完成了高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建。該高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)中光線強(qiáng)度變化自動(dòng)化、智能化的調(diào)整光伏溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的角度，通過菲涅爾透鏡與光伏薄膜之間的距離，可以使其始終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽能的最大采集量，光伏薄膜同溫差發(fā)電片搭配使用，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用，同時(shí)自身對(duì)于溫度的恒定作用，也能延長(zhǎng)光伏薄膜的使用效率和使用壽命，為新能源發(fā)電技術(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一個(gè)技術(shù)解決的方案。

3 研究思路

圖1

4 研究結(jié)果

4.1 光伏薄膜發(fā)電技術(shù)

光伏薄膜發(fā)電就是利用半導(dǎo)體技術(shù)，直接將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。光子照射到金屬上時(shí)，經(jīng)過一系列的反應(yīng)之后，將會(huì)形成光電子。與此同時(shí)，硅原子與磷原子和硼原子混雜會(huì)形成對(duì)應(yīng)的N 型半導(dǎo)體和P 型半導(dǎo)體。當(dāng)P 型和N 型結(jié)合在一起時(shí)，接觸面就會(huì)形成電勢(shì)差，成為太陽能電池。當(dāng)太陽光照射到P－N結(jié)后，空穴由P 極區(qū)往N 極區(qū)移動(dòng)，電子由N 極區(qū)向P 極區(qū)移動(dòng)，形成電流。

圖2 光伏發(fā)電的原理

如上所述，在光的作用下，產(chǎn)生一定方向一定大小的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，叫做光生伏特效應(yīng)，光伏薄膜的光電轉(zhuǎn)換效率同光線強(qiáng)度大小有直接關(guān)系。光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。

目前薄膜太陽能電池具有：

（1）材料儲(chǔ)量豐富、安全無毒；

（2）制備溫度低、能量回收時(shí)間短；

（3）易于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)；

（4）生產(chǎn)成本低；

（5）較低的溫度變化系數(shù)；

（6）應(yīng)用方便等特點(diǎn)。

4.2 溫差發(fā)電原理

溫差發(fā)電技術(shù)是利用賽貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴牧系奶厥庑?，?dāng)溫差發(fā)電片兩端溫度不一致時(shí)，熱端的電子就會(huì)向冷端發(fā)生定向轉(zhuǎn)移，形成穩(wěn)定的電勢(shì)差，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，溫差發(fā)電片的發(fā)電效率與溫差片兩端溫度差的大小有關(guān)。

圖3 溫差發(fā)電原理

4.3 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置主要由兩部分組成，底座支架和光伏溫差發(fā)電部分，在工作時(shí)能夠智能化根據(jù)光線強(qiáng)度變化和溫度傳感器示數(shù)的改變進(jìn)行角度和高度的調(diào)整，能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)太陽進(jìn)行追蹤。同時(shí)為應(yīng)對(duì)自然條件下太陽的定期運(yùn)動(dòng)的情形下能夠獲得充足的照射面，特將底座設(shè)計(jì)為能夠進(jìn)行自主調(diào)節(jié)的可移動(dòng)便攜式，可根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況靈活的調(diào)節(jié)光伏溫差發(fā)電部分的高度與仰角。菲涅爾透鏡太陽光線變化是能夠由核心控制器進(jìn)行控制，自動(dòng)化改變仰角和與光伏薄膜的距離，將最強(qiáng)光源始終聚集在光伏薄膜之上。光伏薄膜背面與溫差發(fā)電片熱端用導(dǎo)熱性良好的硅膠進(jìn)行粘接，以此來減小導(dǎo)熱熱阻。當(dāng)光伏薄膜在太陽照射下產(chǎn)生作用將太陽能轉(zhuǎn)換為電能時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，從而溫度升高，這時(shí)候溫差發(fā)電片貼近于光伏薄膜一端相對(duì)于另一端溫度升高，因此溫差發(fā)電片開始工作，將熱能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，長(zhǎng)時(shí)間的高溫運(yùn)行會(huì)對(duì)光伏薄膜和溫差發(fā)電片的運(yùn)行產(chǎn)生損害，因此在溫差發(fā)電片的冷端依次安裝有相變散熱裝置和水冷降溫裝置，當(dāng)位于光伏薄膜中央的溫度傳感器檢測(cè)到溫度的變化時(shí)，將數(shù)據(jù)信息傳遞給核心控制器，核心控制器改變電路狀態(tài)。當(dāng)溫度升高時(shí)，核心控制器接通電路，在調(diào)整菲涅爾透鏡高度的同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)制冷散熱設(shè)備。當(dāng)溫度回到正常狀態(tài)時(shí)，電路回到正常狀態(tài)。

圖4 薄膜光伏及溫差發(fā)電板

圖5 配套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.4 控制原理

本系統(tǒng)由薄膜光伏發(fā)電與溫差發(fā)電兩種發(fā)電方式進(jìn)行結(jié)合，薄膜光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能經(jīng)由控制器、逆變器，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電可以輸送給用戶，同時(shí)也將一部分電能儲(chǔ)存在蓄電池中。溫差發(fā)電產(chǎn)生的電能經(jīng)由升壓模塊升高電壓也輸送給蓄電池。系統(tǒng)菲涅爾透鏡由溫度傳感器決定其溫度，菲涅爾透鏡的運(yùn)動(dòng)及溫度傳感器的控制以及太陽追蹤結(jié)構(gòu)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)均從蓄電池中獲得電能。

圖6 控制原理

4.5 運(yùn)用前景分析

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過將光伏發(fā)電和溫差發(fā)電進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)合，并利用菲涅爾透鏡、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)智能聚光提升系統(tǒng)發(fā)電效果，本系統(tǒng)可以替代部分太陽能設(shè)備的使用，如太陽能路燈、家用太陽能發(fā)電器等，也可替代產(chǎn)業(yè)化、集中發(fā)電的光伏設(shè)備，適應(yīng)場(chǎng)景廣泛化。

5 結(jié)論

光伏薄膜在發(fā)電時(shí)通過吸收太陽能，經(jīng)過一定的物理轉(zhuǎn)化，最終轉(zhuǎn)化為電能供給外部用電器使用。但是目前存在著轉(zhuǎn)化效率低、受環(huán)境因素影響、自動(dòng)性低的特點(diǎn)，因此目前還沒有在發(fā)電市場(chǎng)被很好的推廣。通過設(shè)計(jì)改進(jìn)將其與菲涅爾透鏡相結(jié)合，菲涅爾透鏡通過電路控制，可以智能化的進(jìn)行調(diào)整，提升太陽能的接收，并且能起到隔離保護(hù)的作用。位于光伏薄膜背面的溫差發(fā)電片，利用光伏薄膜表面的溫度升高這一特性進(jìn)行發(fā)電，提升整個(gè)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的效率，并且為了控制設(shè)備內(nèi)部溫度以便保護(hù)設(shè)備，在其底部采取相變散熱和水冷散熱相結(jié)合的方式保持相對(duì)恒溫。光伏薄膜與溫差發(fā)電片的有效配合使用，提升了對(duì)太陽能的轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，為太陽能清潔電力轉(zhuǎn)化設(shè)備的大規(guī)模使用提供了技術(shù)解決方案。

6 創(chuàng)新點(diǎn)

6.1 光伏發(fā)電與溫差發(fā)電的結(jié)合，兩種發(fā)電方式同時(shí)產(chǎn)生電能，提升對(duì)太陽能的利用率。

6.1 以太陽能薄膜為主要光伏發(fā)電材料，通過半導(dǎo)體片利用薄膜逸散的能量進(jìn)行溫差發(fā)電，在一些情況下可降低太陽能薄膜的溫度，提升發(fā)電效率。

6.3 根據(jù)太陽能薄膜表面溫度智能調(diào)節(jié)菲涅爾透鏡的高度以達(dá)到聚光提升光伏發(fā)電效果的作用。

6.4 背面通過相變散熱結(jié)合水冷散熱的方式提升溫差發(fā)電的效率。

7 下一步研究計(jì)劃

高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)的下一步研究應(yīng)著重點(diǎn)在于提升改進(jìn)降溫裝置的運(yùn)行效率和提升其便捷性。

7.1 在下一階段的研究中將進(jìn)行實(shí)物的制作，并通過實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性與實(shí)際效率，并從散熱方式、菲涅爾透鏡高度等探究影響整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電效率的因素。

7.2 高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)頂端自動(dòng)收集聚焦太陽能的設(shè)備為菲涅爾透鏡，在長(zhǎng)期自然條件使用下難免會(huì)造成表面不潔或被異物遮擋的情況發(fā)生，導(dǎo)致太陽能采集效果不好，現(xiàn)階段需要人手動(dòng)進(jìn)行這個(gè)工作的清理。下一步設(shè)想在其表面安裝智能檢測(cè)設(shè)備和自清潔裝置，當(dāng)有上述情況發(fā)生時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行自清潔裝置進(jìn)行表面清潔。

7.3 高效薄膜光伏溫差發(fā)電系統(tǒng)因?yàn)椴牧系脑蝻@得比較笨重，下一步會(huì)將底座、伸縮裝置進(jìn)行替換，換用更加輕便的材料，同時(shí)對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，使其能夠折疊放置，提升設(shè)備的便攜性。