- 頭條學術特稿：局部陰影下光熱耦合發電系統的溫差性能數值分析2022-08-15 作者：張維華、楊逸帆 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語光熱聯合發電系統受到光伏電池表面局部遮擋的影響，使得光伏表面受熱不均勻而導致熱電系統吸熱過程中存在著溫度不平衡，最終可能導致溫差器件出現應力擴張的現象。廣西科技師范學院、航天建筑設計研究院有限公司和深圳市正弦電氣股份有限公司的研究人員提出采用有限元分析法分析局部陰影遮擋下光伏電池的溫差性能系數。 他們研究了不同陰影的面積下，光伏電池背面的P-N結溫差發電模型性能的熱耦合情況。分析光伏電池的遮擋面積為0.02m2、0.12m2、0.22m2，熱電吸熱過程中溫差器件的輸出電壓、電流、內阻以及功率的變化。 實驗結果表明：內阻與光伏電池的遮擋面積和溫度差無關；開路電壓與光伏電池的遮擋面積和溫度差近似地呈正相關；光熱轉換效率與光伏電池的遮擋面積和溫度差呈負相關。
作者介紹
甄景龍，工程師，主要研究方向為電機控制新技術研究。
楊逸帆，工程師，主要研究方向為事故障診斷和模型仿真。
張維華，助教，主要研究方向為新能源發電技術。
研究背景
半導體溫差發電器利用熱電材料在溫度差作用下發生的熱電效應產生電流，從而將熱能轉換為電能。因此在吸熱的過程中，溫差發電器的熱端溫度及溫度分布的均勻性和穩定性，將直接影響溫差發電的性能。
在光熱聯合發電系統中，照射到光伏電池表面的輻射能小部分轉化為電能，其余大部分轉化為熱量。導熱介質帶走光伏電池組件背面的熱量，電池板的溫度降低，光電轉換效率提高，并且還能收集熱能。
由于光熱-耦合系統存在輸出功率低以及傳熱效果差等問題，本文針對光熱-耦合系統的性能進行深入的分析。
論文所解決的問題及意義
本文針對陰影遮擋光伏發電面積而造成溫差器件受熱不均勻的問題，利用有限元分析法建立溫度場的分布情況，分析光伏電池的遮擋面積分別為0.02m2、0.12m2、0.22m2，溫差器件的輸出電壓、電流、內阻以及功率的變化規律，為光熱耦合發電系統的研究提供參考依據。
論文方法及創新點
本文制作三塊遮光蓋板來模擬局部陰影遮擋的面積，三塊遮光蓋板的面積分別為0.02m2、0.12m2、0.22m2。如圖1所示，紅色表示陰影遮擋光伏發電面積的溫差受熱面積，藍色表示非陰影遮擋光伏發電面積的溫差受熱面積。
圖1 溫差器件的受熱狀況
從圖1中分析可知，光伏電池的遮擋面積的增多，溫差器件的陰影受熱面積同時增大。陰影區和非陰影區的溫差器件受熱面溫度分布均勻，從而保持溫差器件的均衡性。
根據溫差器件模型的相關參數以及試驗環境的溫度、太陽輻射強度、溫差器件的表面溫度等數據。為能夠研究非陰影區與陰影區溫度場的變化規律，選用光伏電池的遮擋面積為0.02m2作為其試驗模型，利用有限元分析法建立起溫差器件的溫度場模型，如圖2所示的模擬溫差器件陰影區受熱面和非陰影區受熱面的溫度場變化情況。
圖2 模擬溫差器件溫度場的變化
結論
本文針對光伏電池的表面遮擋而造成光伏背面的P-N結溫差器件受熱不均勻的問題，采用有限元分析法分析溫差器件溫度場的分布狀況，建立溫度場的模型，分析其溫差器件的性能數值，實驗結果表明：內阻與光伏電池的遮擋面積和溫度差無關；開路電壓與光伏電池的遮擋面積和溫度差近似地呈正相關；光熱轉換效率與光伏電池的遮擋面積和溫度差呈負相關。
引用本文
張維華, 楊逸帆, 趙兵兵, 甄景龍, 康迪. 局部陰影下光熱耦合發電系統的溫差性能數值分析[J]. 電氣技術, 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.
