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CN1960118B - 基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统 - Google Patents

基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统 Download PDF

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Abstract

一种基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统，主要包括太阳能光伏电池[100]和半导体温差发电模块[200]。半导体温差发电模块[200]的热端绝缘导热板[202]与太阳能光伏电池[100]的底电极[105]通过导热硅胶相连，太阳能光伏电池[100]和半导体温差发电模块[200]通过导线与电源电路相连；半导体温差发电模块[200]的冷端绝缘导热板[201]与散热器[301]通过导热硅胶相连。太阳能光伏电池[100]产生的电能和半导体温差发电模块[200]输出的经DC/DC电路升压后的电能分别存储在不同的锂离子蓄电池中，经过后续电源电路的控制、分配即可获得满足负载工作所需的直流电压。本发明充分利用了低品味热能并解决了光伏电池温度过高而影响发电性能的问题，提高了发电效率，延长了光伏电池使用寿命。

Description

基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统
技术领域
本发明涉及一种混合能源发电系统，特别涉及一种基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统。
背景技术
太阳能光伏电池是由光电效应把光能转化成电能的装置，光伏电池的工作原理是：太阳光照在半导体P-N结上形成空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。通过改变PN结的串并联形式可以获得不同数值的输出电压，改变光伏电池的面积可以获得不同的输出功率。它是一种清洁、可再生能源。
目前投入大规模商业化应用的主要是硅系太阳能电池，硅系光伏电池表面为深色，吸收一定的太阳辐射后电池温度会升高。如文献1：《太阳能建材技术的研究与开发(I)——光伏屋顶热性能的调查》(赵春江、崔容强，太阳能学报，2003年第24卷第3期：352-356)中介绍：对单晶硅光伏电池进行测试，在环境温度为33～35℃时，光伏电池的背面温度与环境的温差变化数值从早上9点到下午3点变化范围为5～20℃；文献2：《太阳光伏阵列的温度与红外特性分析》(王培珍、沈玉樑、杨维翰，太阳能学报，2005年第26卷第1期：82-85)提出：在冬季1月份环境温度为0℃时，硅光伏电池组件正常工作部分温度为12℃，在春季4月份环境温度约为22℃时，电池组件正常工作部分的温度为46℃，这使得光伏电池背温与环境有10～15℃的温差。
光伏电池的温度直接影响了光伏电池的输出电压、转换效率及使用寿命。因此要使光伏电池保持在较低温度下工作，提高其输出功率。
半导体温差发电是由赛贝克效应把热能转换为电能的装置，它的工作原理是：由N型和P型半导体串联构成的回路中若两个接头处存在温度梯度，高温端空穴和电子浓度较低温端高，在载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在高、低温端形成电势差，当回路接通时会有电流输出。将多对P型和N型热电半导体材料连接起来组成模块就可获得不同数值的输出电压和功率。
目前，太阳能光伏发电和温差发电技术已经商业化，尤其是太阳能光伏发电获得了广泛的应用，而温差发电技术则应用在热端温度较高的情形，没有直接利用光伏电池背温作为温差发电动力。我国大多数地区日照时间相对较长，太阳能资源丰富，将利用太阳能光伏电池背温作为发电动力的温差发电系统与太阳能光伏发电系统组成混合发电系统，不仅充分利用了太阳能光伏发电这种清洁能源，也解决了光伏电池背温过高影响发电效率的电池散热问题，为半导体温差发电开辟了新的应用空间，具有节能、无污染、安全稳定性高等优点。
美国专利US3,956,017提出了一种由太阳能光伏电池和温差发电模块组成的光电换能器，如图1所示。其特征在于利用固定在光伏电池底部、具有高热导率的金属材料将光伏电池产生的热量传递给温差发电模块，该专利的优点是金属导热层增大了光伏电池与温差发电模块间的热传导，使光伏电池将热量更多的传递给温差发电模块，但是受温差电材料的性能制约，温差发电模块在较低温差(≤30℃)条件下发电性能较差，若要获得满足负载需求的工作电压和电流，必须将多对P-N结串并联，而该专利金属导热层的设计却没有考虑到光伏电池和温差发电模块、温差发电模块内P-N结电极间的电绝缘问题。并且金属导热层也增加了微能源发电系统的生产成本和结构复杂度。
发明内容
本发明的目的是克服现有温差发电技术在较低温差下无法获得负载需要的工作电压和电流的缺点，提出一种新的由太阳能光伏电池和半导体温差发电模块构成的混合能源系统。
本发明在温差发电模块上加上绝缘导热陶瓷，光伏电池和温差发电模块间用绝缘导热硅胶相联，将带电的光伏电池和温差发电器分离，解决了绝缘和传热的问题。冷端通过添加散热器来增大温差。
本发明体积小，携带方便，可应用到为野外以及军事、航空等技术领域中的微型装置如无线传感器网络、照明等装置提供电源，也适合用于远离电网，独立的小功率用电系统，对于野外旅游、孤岛供电等有较好的应用前景。
本发明包括太阳能光伏电池、半导体温差发电模块和电源电路，半导体温差发电模块热端与太阳能光伏电池背面通过导热硅胶相连，光伏电池和温差发电模块通过导线与电源电路相连。太阳能光伏电池向阳面用树脂封装，电池背面用导热铜片封装；半导体温差发电模块冷、热端为绝缘导热性能优良的氧化铝陶瓷片，边缘设有保温模套。在与光伏电池背面接触的热端氧化铝绝缘陶瓷片上均匀涂覆导热硅胶，以增大光伏电池与半导体温差发电模块间的热传导。半导体温差发电模块冷端设有散热器以保持与外接环境温度一致。所述的电源电路设有：接在半导体温差发电模块输出端的DC/DC升压电路；锂离子电池恒流恒压充电电路；以及由A/D转换器、单片机和控制开关组成的切换电路。
本发明的原理是：光伏电池吸收太阳光线，将光能转化成电能输出。而光伏电池吸收太阳光后温度升高成为半导体温差发电模块的热源，将热量源源不断地通过导热硅胶传递给半导体温差发电模块，在半导体温差发电模块的冷端使用铝质肋片风冷式散热器，使冷端温度始终低于热端温度，在P型、N型半导体间形成温度梯度，即可实现温差发电。由半导体温差电源输出的直流电压，根据负载用电需求和锂离子蓄电池充电要求，通过DC/DC升压电路输出高于4.2V的直流电压，经过升压电路后将电量输送给锂离子蓄电池B储存起来。太阳能光伏的能量密度较高，在白天日照强烈时不仅能满足负载的用电需求，还可将大量的电能存储在锂离子蓄电池A中。当太阳能光伏电池输出的电压低于3V不能满足负载用电需求时，锂离子蓄电池A则通过切换电路放电为负载输出直流电压。当锂离子蓄电池A中的电量也不能满足负载用电需求时，可通过切换电路将锂离子蓄电池B作为电源，以上所述的混合电源电力输出切换功能是由状态切换电路实现的，这样的电路设计是为了保证电源系统能够持续稳定的为用电负载供应电力。
本发明是一种适用于小功率、小体积用电负载的混合电源，它充分利用了太阳的光能和热能，本发明还具有如下的优点：
1、充分利用了由于光照引起的光伏电池温升，将热能转化为电能；同时及时将热量传递给温差发电模块，解决了光伏电池散热问题，避免由于温度高而引起的输出功率降低。
2、混合能源的体积较小，适用于对功能单元体积要求小的用电系统；输出功率可根据用电负载灵活调节。
3、混合电源电路逻辑设计合理，能实现直接输出供负载用电和电能存储；充、放电路具有防过充、过放、回流、过温等功能，保证了锂离子蓄电池和用电负载的正常工作；能实现混合电源供电和锂离子蓄电池供电自动切换，减少了操作复杂性。
4、可常年置于户外，当混合能源供能充足时，可实现为锂离子蓄电池和用电负载同时供电；当混合能源供能不足时，则由锂离子蓄电池为用电负载供电。则在多个阴雨天均能连续工作，对需要实时工作的用电系统具有特殊的意义。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为美国专利US3,956,017的混合电源结构示意图。
图2为太阳能光伏电池截面示意图，图中：100为光伏电池，101为上电极，102为减反射膜，103为N型半导体，104为P型半导体，105为下电极。
图3为半导体温差发电模块结构示意图，图中：200为温差发电模块，201为冷端绝缘导热板，202为热端绝缘导热板，203为导流片，204为N型半导体，205为P型半导体。
图4为由太阳能光伏电池和半导体温差发电模块构成的混合能源，图中：301为散热器。
图5为电路逻辑原理框图，图中：401为DC/DC升压电路，402为锂离子蓄电池1，403为A/D转换器，404为锂离子蓄电池2，405为控制开关，406为单片机，407为稳压电路，408为负载。
具体实施方式
图2为太阳能光伏电池结构示意图，太阳光透过减反射膜[102]照在半导体P[104]、N[103]结上形成新的空穴-电子对，在结电场的作用下空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，将上电极[101]和下电极[105]接通电路后就能输出电流。一对P-N结的工作电压约在0.45～0.5V，工作电流约在20～25mA/cm2。
图3半导体温差发电模块结构示意图，由N型[204]和P[205]型半导体串联构成的回路中，热端绝缘导热板[202]的温度高于冷端绝缘导热板[201]，在载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散从而形成电势差，当使用导流片[203]接通回路时会有电流输出。一对P-N结的工作电压为V＝α(T1-T2)，α是塞贝克系数由材料属性决定，T1、T2为热、冷端温度；工作电流为 I = α ( T 1 - T 2 ) R L + R , RL、R为温差发电模块内阻和负载电阻。
若要获得满足负载需求功率的光伏电池组件和温差发电模块，就需要分别将光伏电池和温差发电模块中的多个P-N结串并联后使用，它们遵循串联电流不变电压叠加、并联电压不变电流叠加的原则。
如图4所示，太阳能光伏电池[100]的下电极[105]与半导体温差发电模块[200]的热端绝缘导热板[202]通过导热硅胶紧密粘合在一起，以便将太阳能光伏电池[100]吸收的热量无损失、快速地传递给半导体温差发电模块[200]。半导体温差发电模块[200]的冷端绝缘导热板板[201]与铝质散热器[301]通过导热硅胶紧密粘合在一起，铝质散热器[301]的作用是将由热端传导过来的热量、半导体发电模块[200]自身产生的焦耳热和汤姆逊热导出，使得半导体发电模块[200]冷端温度与环境温度一致，保证半导体发电模块[200]冷、热端有一定的温度梯度。
本发明是将太阳能光伏电池[100]和半导体温差发电模块[200]通过电路并联的形式构成混合能源。如图5所示，光伏电池[100]输出端直接连接锂离子蓄电池A[402]、A/D转换器[403]和控制开关[405]；而半导体温差发电模块[200]输出端直接连接DC/DC升压电路[401]后与锂离子蓄电池B[404]连接，锂离子蓄电池B[404]再分别与A/D转换器[403]和控制开关[405]连接。A/D转换器[403]在检测到光伏电池[100]、锂离子蓄电池A[402]和锂离子蓄电池B[404]的输出电压后，将信号送给单片机[406]，由单片机根据固有的程序设计控制开关电路[405]的通断电路，实现三种电源光伏电池[100]、锂离子蓄电池A[402]和锂离子蓄电池B[404]的交替供电，使得负载[408]在有无光照时均能不间断的工作。
本发明曾以无线传感器节点为负载进行了实验，无线传感器节点的工作电压在2.7V～5.0V，平均工作电流为8mA。具体参数如下：
1、单晶硅光伏电池[100]：实验中选择的是63mm×69mm×3.12mm的单晶硅光伏电池，在AM1.5，t＝25℃条件下，开路电压是7.11V，短路电流是93.78mA。晴朗天气条件下，该电池的输出电压在3.8～4.5V，输出电流在50mA～60mA(随日照强度变化)。
2、半导体温差发电模块[200]：实验中选择的是由4片30mm×30mm×3.92mm串联构成的温差发电模块，每片又由126对热电偶串联构成。如文献1中介绍，在环境温度为33～35℃时，光伏电池的背面温度与环境的温差变化数值从早上9点到下午3点变化范围为5～20℃，因此估算该发电模块在冷、热端温差在5℃、10℃和20℃时能获得的开路电压分别为0.97V、1.95V和3.91V，最大输出电流为16.67mA、33.33mA和66.67mA。
3、DC/DC升压电路：为了充分利用温差发电模块输出的电能，由半导体发电模块[200]输出电压经过DC/DC升压电路升压至大于4.2V后为锂离子蓄电池B[404]充电，充电电流为10mA～30mA。
4、锂离子蓄电池充电电路：当光伏电池[100]输出电压高于4.2V时，会以50mA～60mA(取决于日照强度)的充电电流为锂离子蓄电池A[402]充电；随着充电时间延长，电池电压升至4.2V时，充电电路保护功能启动使蓄电池不再充电，而蓄电池输入端的防逆流二极管开始工作防止蓄电池电流回流。
5、状态切换电路：A/D转换器[403]在检测到光伏电池[100]、锂离子蓄电池A[402]和锂离子蓄电池B[404]的输出电压后，将信号送给单片机[406]，由单片机根据固有的程序设计控制开关电路[405]的通断电路，实现三种电源光伏电池[100]、锂离子蓄电池A[402]和锂离子蓄电池B[404]的交替供电，使得负载[408]在有无光照时均能不间断的工作。为负载供电的电源设计优先级是：光伏电池[100]优先于锂离子蓄电池A[402]，锂离子蓄电池A[402]优先于锂离子蓄电池B[404]。
6、稳压电路：该稳压电路是将光伏电池[100]输出的电压和锂离子蓄电池A[402]、锂离子蓄电池B[404]的输出电压稳定在3V，为负载提供直流电。
本发明操作控制简单，只需根据负载用电需求合理设计光伏电池和半导体温差发电模块的PN结串并联形式，经过后续电源电路的控制即可获得用电负载工作所需的直流电压。经过理论计算，若采用容量为1400mAh的锂离子蓄电池A[402]和500mAh的锂离子蓄电池B[404]作为储能元件为无线传感器网络节点供电，可实现节点在5个阴雨天持续不间断工作。

Claims (1)

1.一种基于太阳能光伏效应和热电效应的混合能源发电系统，包括太阳能光伏电池[100]、半导体温差发电模块[200]和电源电路；半导体温差发电模块[200]的热端绝缘导热板[202]与太阳能光伏电池[100]的底电极[105]通过导热硅胶相连，太阳能光伏电池[100]和半导体温差发电模块[200]通过导线与电源电路相连；半导体温差发电模块[200]的冷端绝缘导热板[201]与散热器[301]通过导热硅胶相连，其特征在于太阳能光伏电池[100]输出端直接连接锂离子蓄电池A[402]、A/D转换器[403]和控制开关[405]；半导体温差发电模块[200]输出端直接连接DC/DC升压电路[401]后与锂离子蓄电池B[404]连接，锂离子蓄电池B[404]再分别与A/D转换器[403]和控制开关[405]连接；A/D转换器[403]在检测到光伏电池[100]、锂离子蓄电池A[402]和锂离子蓄电池B[404]的输出电压后，将信号送给单片机[406]，由单片机根据固有的程序设计控制开关电路[405]的通断电路，实现光伏电池[100]、锂离子蓄电池A[402]和锂离子蓄电池B[404]的交替供电，使得负载[408]在有无光照时均能不间断的工作，为负载供电的电源设计优先级是：光伏电池[100]优先于锂离子蓄电池A[402]，锂离子蓄电池A[402]优先于锂离子蓄电池B[404]。
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