一种含相变材料的太阳能-热电耦合系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能技术系统领域，特别是一种含相变材料的太阳能-热电耦合系 统。
【背景技术】
[0002] 随着生态环境的不断恶化和化石燃料能源的日趋减少，太阳能作为可持续再生绿 色能源越来越受到了国家和人们的广泛关注和重视，太阳能电站的开发也发展的如火如 荼。由于现有的太阳能电池结构和材料的限制，只有少部分被太阳能电池吸收的太阳能能 够转换成电能，剩下的大部分太阳能最终变成热能，从而导致电池温度的升高。这不仅是一 种能量的浪费，同时也对会降低太阳能电池的光电转换效率。对此，人们通过在太阳能电池 下方加入相变材料，提出了太阳能-相变材料的(PV-PCM)耦合系统，利用相变材料的相变潜 热来吸收多余的热量，从而保证太阳能电池的温度，使得太阳能电池拥有一个相对较高的 光电车专换效率（Ma T ,Yang H, Zhang Y, et al.Using phase change materials in photovoltaic systems for thermal regulation and electrical efficiency improvement:A review and outlook.Renew.Sust.Energy Rev.2015;43:1273-1284)〇另 外针对另一部分被转换成热能的太阳能，研究者们提出了太阳能-热电(PV-TE)耦合系统， 通过利用热电材料的Seeback效应，可将多余的热量直接转换成电能，从而达到提高整体 PV-TE系统的光电转换效率（Dalian BS，Schumann J,and Fr6d6ric 几 .Performance evaluation of a photoelectric-thermoelectric cogeneration hybrid system.Sol.Energy2015:276-285.)〇
[0003] 然而，单纯的PV-PCM系统和PV-TE系统都有其不足之处。其中PV-PCM系统虽然能够 保证太阳能电池工作在一个较低的温度，但是未被转换成电能的太阳能全部转换成了热 能，被相变材料吸收，造成了大量的能量浪费。而在PV-TE系统中，热电器件虽然能够将一部 分剩余的热能转换成电能，提升系统光电转换效率;但是热电器件的加入等于在太阳能电 池与热沉之间增加了一层热阻，从而导致太阳能电池温度的升高和太阳能电池的光电转换 效率的降低。因此如何匹配太阳能电池与热电器件的温度，使得热电器件提升的光电转换 效率高与电池下降的光电转换效率，从而提高PV-TE系统总的光电转换效率尤为重要。然而 在实际应用中，一天的太阳辐照强度是不断变化的，这会导致PV-TE系统的温度也随着时间 不停的变化，使得匹配太阳能电池与热电器件的温度成为一个技术难题。
[0004]由此可知，PV-PCM系统和PV-TE系统各有其优点和缺点，如果能将PV-PCM系统和 PV-TE系统结合起来，这样PV-PCM系统中相变材料可以维持系统温度的优点就可以用来克 月艮PV-TE系统温度随时间而变化的缺点，而PV-TE系统可以利用余热发电的优点又可以弥补 PV-PCM系统能源浪费的缺点。但是到目前为止，并没有相关的技术来实现PV-PCM系统和PV-TE系统的结合，因为这还存在很多的技术难题，包括如何设计该复合系统的结构;如何选取 各部件的材料物性和尺寸参数应该;系统的最佳工作温度是多少;如何匹配各部件的热阻， 从而保证系统能够在最佳工作温度工作等。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决单纯的PV-PCM系统中能量浪费的问题和单纯的PV-TE系 统中系统温度波动的技术难题，提供了一种的含相变材料的太阳能-热电耦合系统（PV-PCM-TE)，使得PV-PCM-TE系统在实际应用情况下，在能够利用系统多余的废热的同时，拥有 克服由于太阳辐射变化而带来的温度波动的能力，并且能够使得系统维持工作在最佳工作 温度，实现太阳能的高效率利用。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种含相变材料的太阳能-热电耦合系统，各 部件从上到下分别为:聚光镜、太阳能电池、恒温部件、热电器件、热沉，各部件的中心位于 同一条轴线上，并且最后组装成一体放置在太阳能跟踪系统上;太阳能电池、恒温部件、热 电材料和热沉之间通过热界面材料相连，从而降低各部件间的接触热阻。
[0007] 与现有技术相比，本发明的显著效果为：（1)本发明适用于在日常太阳辐照变化的 情况下，系统仍然能够保持在恒定温度，可以减弱太阳辐照强度波动对系统光电转换效率 的影响。（2)因为系统能够保持在恒定温度工作，可以解决太阳能电池与热电材料温度匹配 以及最佳外接电阻的问题。（3)因为可以通过相变材料的相变温度控制系统运行的恒定工 作温度，可以保证系统运行在最佳工作温度，拥有最高的光电转换效率。
【附图说明】
[0008] 图1是本发明含相变材料的太阳能-热电耦合系统的结构示意图。
[0009] 图2是本发明单结GaAs电池-热电器件系统的光电转换效率随温度的变化图。
[0010]图3是本发明在C = 500sun，ZT = 1 · 5，Tmeiting = 425K，hpcM= 30mm条件下PV-PCM-TE 系统光电转换效率随热聚焦因子、水的流速的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0011] 结合图1，本发明含相变材料的太阳能-热电耦合系统，从上到下分别是:聚光镜1、 太阳能电池2、恒温部件3、热电器件4、热沉5,各部件的中心位于同一条轴线上，并且最后组 装成一体放置在太阳能跟踪系统上。恒温部件3由相变材料和容器组成，相变材料装填在容 器中，用于维持系统的工作温度。热电器件4的结构通常是氧化铝陶瓷-热电材料-氧化铝陶 瓷的三明治结构。氧化铝陶瓷的厚度约为0.7~1mm，热电材料的厚度为1.5~2_。聚光镜1 和太阳能电池2之间的距离随光学聚光比变化，为本技术领域的公知技术，太阳能电池2、恒 温部件3、热电材料4和热沉5之间通过热界面材料相连，从而降低各部件间的接触热阻。下 面对本发明作进一步说明。
[0012] 1、确定光学聚光比C与太阳能电池2的结构及类型。因针对不同的太阳能电池2,其 光电转换效率与制造成本也不尽相同。对于具有低制造成本，低光电转换效率的单晶Si、多 晶硅、非晶硅以及铜铟镓硒等太阳能电池，可采用不聚光或者低倍光学聚光C=I~10。对于 具有制造高成本，高光电转换效率的单结GaAs、III-V族等太阳能电池，为缩减成本，需采用 中倍或者高倍光学聚光〇10。
[0013] 2、确定聚光镜1及跟踪系统的参数。当采用聚光系统时，尤其是中高倍光学聚光 时，需要相应的跟踪系统保证太阳光能准确聚焦在太阳能电池2的表面。聚光镜1的面积尺 寸Ai ens由光学聚光比C和太阳能电池2的面积Ap v决定，Aiens = C*APV。太阳能跟踪系统的精度 需小于0.5°。针对低倍光学聚光比，聚光镜1可米用抛物面聚光镜。对于中高倍聚光，聚光镜 1可采用透过率为98%的高透过率菲尼尔透镜。
[0014] 3、确定热电器件4的品质因子ZT。热电器件的品质因子是器件的基本属性，当热电 器件选定时，品质因子ZT也就确定。在选取热电器件时，应选取具有高品质因子ZT的热电器 件，因为品质因子ZT越高，热电器件在相同的两端温差条件下效率越高。热电器件4中热电 材料种类的选取应根据系统的最佳工作温度决定。当系统的最佳工作温度小于300°C，可选 取热电材料为碲化铋材料(Bi2Te3)的半导体金属合金型热电器件；当系统的最佳工作温度 大于300°C，小于800°C，可选取热电材料为方钴矿材料（CoSb3)的热电器件或碲化铅 (PbTe)、碲化锗(GeTe)等的半导体金属合金型的热电器件；当系统的最佳工作温度大于800 °C，可选取热电材料为金属硅化物型热电材料和氧化物型热电材料等。在现有技术条件下， 为了确保太阳能电池及太阳能系统的可靠性，聚光太阳能系统的温度一般不超过200°C。因 此，在此温度条件下，选取热电材料为碲化铋材料(Bi 2Te3)的热电器件。
[0015] 4、确定系统的最佳工作温度。已知光学聚光比C，太阳能电池2,热电器件3的品质 因子ZT，根据系统总光电转换效率随温度的变化公式：
)
[0021] 计算获得系统总光电转换效率随不同的太阳能电池2、拥有不同品质因子ZT值的 热电器件3以及系统工作温度的关系曲线。根据该关系曲线，获得对应太阳能电池2和热电 器件3，系统的取佳工作温度。上式中Π 、HpV、Hradiaticin、Hconvection、ΠΤΕ、HPV-ref erence分力U代表系统 总效率、太阳能电池的光电转换效率、辐射换热导致的效率损失、对流换热导致的效率损 失、热电器件的效率和电池在温度为300K时的参考光电转换效率。T、T ambient、Tair分别代表 各部件的温度、环境温度和空气温度。β是太阳能电池的负温度系数。σ是斯蒂芬-波尔兹曼 常数。h air是空气的对流换热系数。A是面积，G是太阳辐射强度，C是光学聚光比。
[0022] 5、确定相变材料的相变温度和种类。为了使系统能够拥有最高的光电转换效率， 需维持系统运行在最佳工作温度。因此选取的相变材料的相变温度应为系统的最佳工作温 度。相变材料的类型则由相变材料的相变温度决定，当相变温度低于l〇〇°C时，可选相变材 料采用低温相变材料，如石蜡相变材料，当相变温度高于l〇〇°C时，可选用中高温相变材料， 如KOH-NaOH混合相变材料或者盐-水混合相变材料。
[0023] 6、选择恒温部件3和热电器件4的尺寸参