王美威，董翠翠，張洪陽，李君，陶麗楠

（中石化（大連）石油化工研究院有限公司，遼寧大連 116045）

全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來能源消耗的快速增加，使得全球變暖[1–2]、大氣層破壞[3]、空氣質(zhì)量下降[4]等問題加劇，控制和減少碳排放成為全球各國人民共同面對和亟待解決的問題[5–6]。與其他新能源發(fā)電技術(shù)相比，太陽能發(fā)電具有資源豐富、分布廣泛、潔凈無污染、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[7–8]，據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)，2021年全國太陽能發(fā)電裝機(jī)容量同比增加20.9%，約達(dá)3.1億kW。

目前，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能主要包括2種方式，即太陽能光伏發(fā)電（PV）和太陽能光熱發(fā)電（TE）。PV是一種利用太陽能電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式[9–12]，電池材料多為寬禁帶半導(dǎo)體，當(dāng)光子能量跨越PV電池的帶隙寬度發(fā)生光譜響應(yīng)時(shí)，其低帶隙能量的光子不能被PV電池所利用，導(dǎo)致其能量轉(zhuǎn)化效率較低，較大部分太陽輻射能量只能以廢熱的形式浪費(fèi)掉[13–15]。TE主要利用賽貝克效應(yīng)[16]，通過溫差驅(qū)動載流子定向遷移，將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能[17–18]，其中，TE能量轉(zhuǎn)化效率主要取決于TE器件材料性能的優(yōu)越。近年來，將光伏電池和熱電材料互補(bǔ)集成，建立光伏–熱電（PV–TE）復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)成為研究重點(diǎn)[19–20]。PV–TE復(fù)合系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)太陽能全光譜利用，TE器件可將光伏發(fā)電廢棄的熱量轉(zhuǎn)化成電能，提升整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率，降低發(fā)電成本，TE的加入也能夠補(bǔ)償單獨(dú)PV的不確定性。以上眾多優(yōu)點(diǎn)使PV–TE系統(tǒng)成為非常理想的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[21–22]，但也存在著一些關(guān)鍵問題限制其發(fā)展應(yīng)用，包括如何匹配TE器件和PV電池的運(yùn)行溫度、復(fù)合系統(tǒng)TE器件選擇、PV–TE系統(tǒng)能量傳遞結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

1 PV–TE發(fā)電技術(shù)工作原理

目前PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池和熱電器件耦合方式基本包括2種，即分光型和層疊型。前者是將太陽光按照波長范圍分配到PV和TE系統(tǒng)各自利用，相對于單一光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，能量轉(zhuǎn)換效率確實(shí)有所提高，但PV和TE各自獨(dú)立工作，TE不對PV進(jìn)行熱量管理也無法對PV的工作余熱進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，且該復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對分光儀器精度要求較高、成本昂貴，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用受限。層疊型PV–TE復(fù)合系統(tǒng)將TE器件安置在光伏電池的背面[23]，PV與TE可實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，TE利用熱電器件吸收PV工作時(shí)產(chǎn)生的余熱并將其轉(zhuǎn)化為電能，在提升總能量轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)還完成了對PV的熱量管理。

PV–TE集成系統(tǒng)中，主要應(yīng)用原理包括PV發(fā)電、溫差發(fā)電、熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射等。光伏電池和熱電器件效率–溫度特性相矛盾，溫度升高會提高TE器件的性能，但較高的溫度會使短路電流增加，導(dǎo)致PV電池的工作效率降低，因此合理匹配TE器件和PV電池的運(yùn)行溫度、復(fù)合系統(tǒng)TE器件選擇、PV–TE系統(tǒng)能量傳遞結(jié)構(gòu)優(yōu)化等是提高復(fù)合系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。PV–TE集成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率（ηPV–TE）定義為復(fù)合系統(tǒng)最大輸出功率（PPV–TE，max）與入射光強(qiáng)度（G）的比值，如式（1）所示。

2 PV–TE復(fù)合發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來，眾多學(xué)者都曾對PV–TE復(fù)合發(fā)電技術(shù)的可行性進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)室研究。表1歸納了2011–2018年間有關(guān)PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室/模擬數(shù)據(jù)（包含PV、TE材料類型及組裝后的復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)電效率）。由表1可知，無論是何種類型的PV與TE相搭配，復(fù)合系統(tǒng)均表現(xiàn)出了比單獨(dú)PV更高的能量轉(zhuǎn)化效率。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，復(fù)合系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率比單獨(dú)PV高0.02%～12.32%。

表1 2011–2018年P(guān)V–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)研究

Afifa等[24]進(jìn)行戶外實(shí)驗(yàn)對比傳統(tǒng)單一PV發(fā)電和PV–TE復(fù)合系統(tǒng)的電氣和熱性能，結(jié)果表明在環(huán)境溫度約為33℃的條件下，PV–TE復(fù)合系統(tǒng)比PV系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提高了7.46%，預(yù)估每年可額外產(chǎn)生電能359 kWh。Mehran等[25]利用有限體積法（FVM）與蒙特卡洛射線追蹤法（MCRT）相結(jié)合，提出1種PV–TE復(fù)合三維集成模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并探究反射器的孔徑寬度和吸收器的頂角等設(shè)計(jì)參數(shù)對不同系統(tǒng)的影響，計(jì)算得出孔徑寬度在1.6～2.2 mm和頂角在80°～120°范圍內(nèi)有利于提高轉(zhuǎn)化效率。

Van Sark等[26]以西班牙馬拉加和荷蘭烏特勒支為例，利用2個(gè)地點(diǎn)的天氣數(shù)據(jù)模擬計(jì)算了復(fù)合系統(tǒng)的年發(fā)電量。結(jié)果表明，PV–TE系統(tǒng)的效率與PV相比提高了23%。依據(jù)2個(gè)地點(diǎn)的年輻照度和年平均溫度，PV–TE復(fù)合系統(tǒng)可使2個(gè)城市的年可利用能源總量分別提升14.7%和11.0%。

國內(nèi)對于PV–TE復(fù)合發(fā)電技術(shù)的研究主要集中在高校，但由于我國在TE領(lǐng)域的起步較晚，目前自主研發(fā)的TE器件工作效率較低，制約了該技術(shù)的發(fā)展。張宇鋒等[27]利用復(fù)合系統(tǒng)熱力學(xué)特性，構(gòu)建了包括反射、輻射和對流等熱損耗的理論模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較低的溫度系數(shù)和低效率的太陽能電池能夠獲得復(fù)合系統(tǒng)較優(yōu)的工作性能，提出系統(tǒng)總的太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，如式（2）所示：

式中，ηtot為復(fù)合系統(tǒng)總效率，ηpv為太陽能電池效率，ρ為玻璃的反射率，QR為器件表面以輻射方式產(chǎn)生的熱損失，QC為對流方式產(chǎn)生的熱損失，EI為入射太陽輻照，Th和Tc分別為熱電模塊高低溫端的溫度，i為電流，K為熱電模塊總熱傳導(dǎo)系數(shù)，r為熱電模塊的總電阻，α為p型和n型半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)之差。

梁鼎[28]提出1種聚光分頻光電–熱電復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，建立能量傳遞模型進(jìn)行理論分析和優(yōu)化計(jì)算，設(shè)計(jì)和搭建復(fù)合系統(tǒng)的戶外測試平臺驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，該復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)模型基本能夠預(yù)測聚光分頻光電–熱電復(fù)合系統(tǒng)性能。

3 PV–TE復(fù)合發(fā)電技術(shù)影響因素

3.1 TE模塊的結(jié)構(gòu)選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)

Yuan等[29]指出復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)電成本與TE效率密切相關(guān)。當(dāng)TE的效率低于1%時(shí)，復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)電成本高于PV，隨著TE效率的增高，發(fā)電成本逐漸降低。當(dāng)太陽能吸收器面積大于0.5 m2時(shí)，熱電器件效率為3%的發(fā)電成本和光伏組件的成本基本相當(dāng)，但當(dāng)TE的效率達(dá)到5%以上時(shí)，通過增加PV–TE集成系統(tǒng)的采光表面積，可使復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)電成本低于PV。

在PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中，熱電模塊通過TE器件將PV發(fā)電廢棄的熱量轉(zhuǎn)化成電能，TE器件的工作性能對復(fù)合系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率和發(fā)電成本起著關(guān)鍵性作用。熱電材料利用塞貝克效應(yīng)進(jìn)行溫差發(fā)電，其熱–電轉(zhuǎn)化效率如式（3）所示[30]：

式中，Th和Tc分別是冷端和熱端溫度，Tˉ是冷熱兩端的平均溫度，ZT稱為材料的熱電優(yōu)值，當(dāng)材料的Th和Tc溫度確定時(shí)，ZT越大效率越高，如式（4）所示[30]：

式中，σ為電導(dǎo)率，T為絕對溫度，s為塞貝克系數(shù)，k為熱導(dǎo)率。

ZT值是衡量熱電材料工作性能的重要指標(biāo)，為獲得更好的工作性能，要求熱電材料器件需有較高的電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，以及較低的熱導(dǎo)率。以上3個(gè)參數(shù)之間存在一定耦合關(guān)系，制約熱電材料性能改善。熊焱等[33]通過研究有機(jī)和復(fù)合薄膜熱電運(yùn)輸原理，利用光激發(fā)、界面效應(yīng)以及極化效應(yīng)等方法改變聲子和電子的傳輸過程，使上述影響熱電材料性能的3個(gè)參數(shù)去耦合，從而改善薄膜材料與器件的工作性能，并制備出1種無空穴傳輸層碳電極鈣鈦礦太陽能電池和Bi2Te3基熱電模組器件的PV–TE集成器件，提高光電能量轉(zhuǎn)化效率。

熱電器件的p型與n型模塊具有不同的電阻或熱阻時(shí)，需對模塊的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化才能獲得最佳的輸出性能。電極材料的物理特性、電極與熱電材料之間的匹配和結(jié)合狀態(tài)等均會直接影響器件的效率、可靠性和使用壽命。此外，填充于器件間隙中的絕緣填充物對系統(tǒng)內(nèi)對流和輻射的熱損失方面起著關(guān)鍵作用，熱電器件的拓?fù)湓O(shè)計(jì)影響輸出特性，匹配器件拓?fù)涫莾?yōu)化TE發(fā)電綜合指標(biāo)的基礎(chǔ)。根據(jù)熱電器件的工作模式，綜合考慮邊界條件和影響因素，將理論分析、熱–電結(jié)構(gòu)耦合分析和瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合，同時(shí)篩選和優(yōu)化多組參數(shù)，才能最大限度提高材料的TE性能。

3.2 TE器件和PV電池的運(yùn)行溫度

在PV–TE復(fù)合系統(tǒng)中，光伏電池和熱電器件效率–溫度特性相矛盾，F(xiàn)isac等[31]提出將太陽能電池板中的溫度梯度用于為熱電電池供電，從而改善復(fù)合系統(tǒng)的發(fā)電效率，當(dāng)光伏電池選擇多晶硅時(shí)，運(yùn)行溫度為35℃的PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)工作性能要優(yōu)于運(yùn)行溫度為55℃時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

Ju等[32]從聚光比和冷卻裝置的角度對PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的能量傳遞過程分析研究，模擬了由砷化鎵（GaAs）太陽能電池和方鈷礦CoSb3太陽能熱電發(fā)電機(jī)（TEG）組成的混合系統(tǒng)，評估復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的電氣和熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GaAs–CoSb3復(fù)合系統(tǒng)的截止波長主要由太陽能電池的帶隙決定。

前文中提到傳統(tǒng)的太陽能PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中熱電器件與光伏電池的組合一般采用層疊式的相鄰排列，而Li等[33]提出PV電池和TE器件相隔開設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，中間為冷卻室，目的是為PV模塊和TE模塊提供較低的工作溫度。在非用電高峰時(shí)段，復(fù)合系統(tǒng)發(fā)電多余的電力被用來驅(qū)動冷凍機(jī)來產(chǎn)生低溫循環(huán)流體，然后被用于冷卻用電高峰時(shí)的PV電池和TE器件，結(jié)果表明，利用該結(jié)構(gòu)能顯著增加高峰時(shí)期復(fù)合系統(tǒng)輸出功率。

3.3 PV–TE的集成方式

PV–TE復(fù)合系統(tǒng)中合理匹配光伏電池和熱電器件的集成方式才能使系統(tǒng)總能量轉(zhuǎn)化效率更優(yōu)并達(dá)到更好的安全穩(wěn)定性能。目前較為常見的PV–TE復(fù)合系統(tǒng)為層疊型。

張進(jìn)等[34]針對傳統(tǒng)光伏–熱電耦合系統(tǒng)，提出一種無陶瓷板和銅板的一體化PV–TE復(fù)合系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)1種V型槽式耦合系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)能夠使照射光伏電池的太陽光發(fā)生2次反射和吸收，增強(qiáng)系統(tǒng)對光照的吸收。結(jié)果表明，去除復(fù)合系統(tǒng)陶瓷板通過TE器件電極完成熱聚集能夠增加系統(tǒng)整體的輸出效率，采用V型槽結(jié)構(gòu)也能夠較好的改善TE器件和PV電池的效率。

何雅玲等[35]提出1種分頻式低倍聚光光伏高倍聚光光熱/熱電耦合的太陽能全光譜利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光譜選擇性和低倍聚光光伏透過玻璃，光伏電池接收可見光部分，光熱/熱電復(fù)合集熱管接收其他波段的太陽光，實(shí)現(xiàn)太陽能全光譜的高效利用。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)太陽能PV–TE復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)更多處于研究階段，實(shí)際應(yīng)用較少。這是由于PV–TE復(fù)合發(fā)電技術(shù)不同模塊的耦合方式尚未清晰，導(dǎo)致應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性沒有達(dá)到預(yù)期效果，存在熱電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工作不穩(wěn)定、較低的能量轉(zhuǎn)化效率、較高的工藝成本等實(shí)際問題。近年來，我國可再生能源大力發(fā)展，在“雙碳”目標(biāo)下，構(gòu)建以新能源發(fā)電為主體的新型電力系統(tǒng)逐漸步入正軌，太陽能PV–TE復(fù)合發(fā)電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)太陽能的全光譜利用，其發(fā)展與應(yīng)用空間未來可期。