数。因为在现有的聚光型太阳能利用系统 的设计中，常常都是将多个太阳能利用子系统整列型排布在一个太阳能跟踪系统上。恒温 部件3由容器与相变材料组成，相变材料装填在容器中。因此，为了使本PV-PCM-TE系统能够 有较好的普适行，并且便于实际使用，恒温部件3中的容器位置位于太阳能电池正中心的下 方，容器的面积Apq 1大小等于聚光镜1的面积Alens,容器的高度hP?随着热聚焦因子Cth的变化 而变化。这样在由多个PV-PCM-TE系统整列组成的大系统中，多个PV-PCM-TE系统中的恒温 部件3可以做成一个整体，方便实际应用。为了快速的将太阳能电池的热量传递出去，恒温 部件3中的容器材料设计成由铜材料制成，壳体厚度为1mm。在容器内部可增添金属肋片或 者填充高导热性能材料，如金属丝，用于强化容器与相变材料间的换热。热电器件位置位于 相变材料的正下方。其结构是氧化铝陶瓷-热电材料-氧化铝陶瓷的三明治结构，氧化铝陶 瓷的厚度为1mm，热电材料的厚度为2mm，热电材料为碲化铋材料(Bi 2Te3 )，热电材料的面积 为Ate，定义热聚焦因子Cth=CAPV/ATE。热聚焦因子的大小决定了热电器件在系统中的热阻大 小，热聚焦因子越大，热电器件的热阻也就越大，因此热聚焦因子的选取应综合考虑系统的 最佳工作温度和冷却方式。当系统的最佳工作温度小于350K时，C th应取1~50,当系统的最 佳工作温度位于350K和400K时，Cth应取50~100，当系统的最佳工作温度大于400K时，C th应 大于100。但是热聚焦因子过大，热电器件的过高的热阻也会影响系统的可靠性，因此为了 确保相变材料的体积容量能够保证系统在一天的时间内保持恒定温度，当容器的面积Apcm 大小等于聚光镜1的面积Alens时，容器的高度hP?需随着热聚焦因子Cth的变化而变化。通过 ANASY建模计算得到，当热聚焦因子在1-50之间时，hPCM应取5~15mm，当热聚焦因子在50-100之间时，hpoi应取15~25mm，当热聚焦因子在100-150之间时，hpoi应取25~35mm。
[0024] 7、热沉参数的选取。热沉5位于热电器件4正下方，其面积Aheat-Sink和热电器件的面 积相等，用于将系统多余的热量带走，并保证热电器件冷端的温度。热沉结构的选择多种多 样，针对不同的热沉结构，可通过ANASY建模计算分析，从而找到最适合的冷却工质和冷却 工质的流速等参数。
[0025] 下面以聚光比为500倍，GaAs电池面积Apv为10mm*10mm，热电材料品质因子ZT= 1.5 的情况为例，说明本发明的中各部件结构尺寸的具体设计步骤：
[0026] 1、根据光学聚光比C = 500,以及GaAs电池面积Apv为10mm*10mm，计算可得菲尼尔透 镜的面积 Aiens = OApv = 500*0.0 OOlm2 = O .05m2,长宽尺寸分别为 224mm，224mm。
[0027] 2、单结GaAs太阳能电池，位于菲涅尔透镜正中心下方，太阳能电池的面积为Apv = 1 Omm^ 1 Omnin
[0028] 3、根据系统总光电转换效率随温度变化的公式，计算获得PV-PCM-TE系统最佳的 光电转换效率及其所对应的温度曲线图，如图2所示。得知，当太阳能电池选取单结GaAs电 池，热电材料的品质因子ZT= 1.5时，可得此时PV-PCM-TE系统最佳的光电转换效率及其所 对应的温度T = 425K，根据此温度，可选择相变温度为425K的NaOH和KOH相变材料。在这里， 相变温度为425Κ的其他种类材料的相变材料也可以选择使用。
[0029] 4、由光学聚光比C = 500，以及GaAs电池面积、菲尼尔透镜的面积可得相变材料的 面积Apaw=Aiens = 0.0 5m2，长宽尺寸分别为224mm，224mm。相变材料的容器的中心位置位于太 阳能电池正中心的下方，由铜材料制成，壳体厚度为1mm。为了强化容器与相变材料间的换 热，容器内部设计有并行排列的厚度为1mm的肋片用于强化容器与相变材料间的换热，肋片 的高度和容器的高度相同，肋片的两端距离容器相隔l〇mm，肋片之间的间隔为10mm。其中系 统最佳工作温度425K，可知热聚焦因子C th应大于100,恒温部件3中的容器高度hP?=30mm。 [0030] 5、针对图1所示的结构和材料，当设计采用水冷的方式，热沉高度为10mm，内部有 着并行的，宽和高分别为3mm、8mm的水冷通道时，通过ANSYS建模计算分析拥有不同结构参 数下的PV-PCM-TE系统的温度分布，从而得到PV-PCM-TE系统在该结构参数下的系统总光电 转换效率不同影响参数间的关系，结果如图3所示。对应系统的最佳工作温度425K，热聚焦 因子Cth应取140,水的流速应取lm/s。根据所得热聚焦因子，可知热电器件的最佳的尺寸为 18·9mm*18·9mm。此时PV-PCM-TE系统的光电转换效率可高达27· 3%。
[0031] 6、最后可以得到PV-PCM-TE系统在聚光比为500倍，GaAs电池面积Apv为10mm*10mm， 热电材料品质因子ZT = 1.5的时各部件的结构参数。如下所示：
[0033]可以看出，当使用以上设计参数时，500倍聚光的PV-PCM-TE系统的光电转换效率 可高达27.3 %，要高于在500倍聚光，GaAs电池温度在300K时的光电转换效率26.7 %。另外 由于引入了相变材料，PV-PCM-TE系统的温度会更加稳定，可以在较长时间的内，保持PV-PCM-TE系统拥有最高光电转换效率。
【主权项】
1. 一种含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于各部件从上到下分别为: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;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。2. 根据权利要求1所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于太阳能电池 (2) 的材料与结构为单晶Si、多晶硅、非晶硅或铜铟镓硒，采用不聚光或者低倍光学聚光C= 1~10,聚光镜（1)采用抛物面聚光镜;或者太阳能电池(2)的材料与结构为单结GaAs、III-V 族中的一种，采用中倍或者高倍光学聚光〇10,聚光镜（1)采用透过率为98%的高透过率菲 尼尔透镜。3. 根据权利要求1或2所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于聚光镜 (1)的面积尺寸Aiens由光学聚光比C和太阳能电池(2)的面积Αρν决定，Αι_ = C*Apv。4. 根据权利要求1所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于恒温部件 (3) 由容器与相变材料组成，相变材料装填在容器中，容器位于太阳能电池正中心的下方； 相变材料容器的面积AP?大小等于聚光镜（1)的面积Alens时，容器的高度hP?随着热聚焦因 子Cth的变化而变化。5. 根据权利要求1或4所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于在容器 内部增添金属肋片或者填充高导热性能材料。6. 根据权利要求1或4所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于相变材 料的相变温度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，相变材料采用低温相变材料；当相变温度高于100°C时，选用中高温 相变材料。7. 根据权利要求1所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于热电器件 (4) 中热电材料种类的选取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，选取热电材料为碲化铋材料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，选取热电材料为方钴矿材料的热电器件或碲化铅、碲化锗半导体金属 合金型的热电器件；当系统的最佳工作温度大于800°C，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。8. 根据权利要求1或7所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于热电器 件(4)的结构为氧化铝陶瓷-热电材料-氧化铝陶瓷的三明治结构，氧化铝陶瓷的厚度为0.7 ~1mm，热电材料的厚度为1.5~2mm。9. 根据权利要求8所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于热电器件 (4)的面积为Ate，定义热聚焦因子Cth =CAPV/ATE，热聚焦因子的选取应综合考虑系统的最佳 工作温度和冷却方式。10. 根据权利要求9所述的含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其特征在于当最佳工 作温度小于350K时，Cth应取1~50,当最佳工作温度位于350K和400K时，Cth应取50~100,当 最佳工作温度大于400K时，Cth应大于100。
【专利摘要】本发明公开了一种含相变材料的太阳能-热电耦合系统，其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。本发明可以减弱太阳辐照强度波动对系统光电转换效率的影响，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，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。
【IPC分类】H02S40/40, H02S40/22, H02S40/44, H02S10/10
【公开号】CN105471366
【申请号】CN201510815330
【发明人】宣益民, 李强, 崔腾飞
【申请人】南京理工大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月20日