本文摘要：全球能源危機、環境惡化、資源短缺及燃料價格的波動給人類的生存和發展帶來威脅，世界各國開始重點關注可再生能源的開發與應用。太陽能是一種穩定且用之不竭的清潔綠色能源。在光-電轉換過程中，一部分波長的光可用于光電轉化，而其余波長的光則轉化為熱能，
全球能源危機、環境惡化、資源短缺及燃料價格的波動給人類的生存和發展帶來威脅，世界各國開始重點關注可再生能源的開發與應用。太陽能是一種穩定且用之不竭的清潔綠色能源。在光-電轉換過程中，一部分波長的光可用于光電轉化，而其余波長的光則轉化為熱能，引起太陽能電池板發熱，直接影響了太陽能電池的效率和壽命�；赟eebeck效應的溫差發電技術可以解決該問題，利用太陽能電池板的余熱進行溫差發電。根據能量守恒定律，熱能轉化為電能，同時降低光伏電池板的表面溫度。文章綜述了光伏-溫差發電技術的國內外研究進展，最后指出光伏-溫差復合發電技術可提高能源利用率，降低成本。
能源是世界上所有國家賴以生存及經濟繁榮的最重要的話題。化石燃料依然在大多數國家占主要能源。然而由于過度開采，使得化石燃料儲量迅速減少，而面臨枯竭。化石燃料燃燒產生CO2形成溫室效應，加劇全球變暖。世界各國越來越關注可再生能源的利用和發展。太陽能是最最具代表性的可再生清潔環保能源，是其他形式的能源的基礎，也是被開發最多的可再生資源。地球每天從太陽大約接收1.2×105MW的能量，太陽能具有最原始可靠、最容易獲得、可持續發展等特點，具有巨大潛力，可滿足世界日益增長的能源需求。
能源論文范例： 非成像聚光太陽能集熱器供暖應用研究
光伏發電具有無污染、無噪聲、不消耗燃料等優點，展現了可持續發展理念，近年來充分得到應用與發展。利用半導體材料進行光-電轉換的光伏電池，當太陽光或其他光照射到光伏電池表面時，光伏電池內的半導體電荷分布狀態將發生變化，于是產生電動勢和電流，通常這種現象稱為光伏效應，產生的電壓即光生電壓。單晶硅和多晶硅光伏電池是目前世界上應用最廣泛，其總產量約占太陽能電池產量的80%。光伏電池的光電轉換效率主要決定光伏發電的轉化效率。從理論上來看，晶體硅光伏電池的光電轉換效率接近30%。
在光-電轉換過程中，一般來說，波長為200~800nm的光用于光電轉化，而其余波長的大部分的光則轉化為熱能，這部分光引起太陽能電池板發熱。由于太陽能電池的輸出特性隨著溫度的變化而變化，且光伏組件內部產生的熱量，導致光伏組件表面溫度升高，這不利于光伏電池板的的效率和壽命。
在西北地區得到夏季，由于太陽的照射強烈，太陽能電池板的表面溫度可達到比環境溫度高36℃以上，這對太陽能電池板的安全非常不利，天長日久太陽能電池板表面會“變黃”，甚至開裂。采用溫差發電正好可以解決該問題，將將光伏電池板作為溫差發電片的熱端，環境溫度作為冷段。安裝在光伏電池板背板的溫差發電片吸收太陽能電池板的熱量，進行溫差發電，一方面可降低光伏電池板的溫度，另一方面額外有電能的輸出。
光伏-溫差復合發電系統的型式目前光伏溫差復合發電系統的型式主要有兩種：熱電-光電復合發電系統和聚光集熱式太陽能溫差發電系統。以下分別分析這兩種發電系統型式。熱電-光電復合發電系統將基于太陽能熱電技術與光電轉換進行集成稱為熱電-光電復合發電系統，又稱為太陽能全光譜(200～3000nm)直接高效發電技術。太陽能熱電-光電復合系統包括聚焦子系統、熱電子系統、分光子系統和廣電子系統。利用聚焦子系統將太陽光聚焦，在某一波長處，利用波長分離器將聚焦后的太陽光的波長分開。將波長較短的光用于光伏的電發電，波長較長的光產生熱量后用于溫差發電。采用該技術，可使整個太陽光光譜的光都能被充分利用，從而提高光伏電站的發電效率。
聚光集熱式太陽能溫差發電系統聚光集熱式太陽能溫差發電裝置是通過聚光集熱裝置(通常采用拋物槽式)聚集太陽能，將太陽光熱能匯聚于半導體溫差發電的熱端，使半導體溫差發電裝置的熱端溫度升高，形成發電的高溫端，另一端敷上管道，在管道中通過水泵驅動循環水進行冷卻。在半導體溫差發電裝置的兩端形成溫差，進行太陽能熱發電。產生的電能通過直流穩壓電路由蓄電池存儲。另外冷卻水吸收溫差發電片冷端的熱量的同時的水溫升高。升溫后的熱水可用于提供生活用熱水、沐浴等。國內外研究現狀國外光伏發電技術起步較早。1839年，貝克勒爾首次通過實驗觀察到光生伏特效應。目前，光伏發電技術已獲得長足的發展，全世界光伏發電裝機容量已經超過500GW。
Vorobiev等首次提出了將半導體溫差發電材料和光伏發電結合在一起的概念。vanSark利用半導體溫差發電機(TEG)收集光伏系統產生的廢熱進行發電，并對PV-TE系統進行簡化處理，使用簡單模型進行了性能分析。Najafi和Woodbury對裝有肋片的PV-TE系統建立了比較全面的傳熱模型，對PV-TE系統進行了仿真模擬，并實驗研究了夏季時系統的工作性能，Liao等獲得了聚光式PV-TE系統最大電能輸出時的負載匹配值。Deng等的數值模擬結果表明，在PV-TE系統中增加集熱裝置可使光伏電池和溫差發電模塊的性能有所提高。Yang和Yin對采用水冷方式的PV-TE系統的實驗結果表明，由于溫差發電的低效率使得PV-TE系統并沒有表現出較大的優勢。
DengY等人采用有限元方法模擬了溫差發電模塊的溫度場，得到其溫度分布，其結果為光伏-溫差混合系統的總輸出功率是單一光伏發電輸出功率的兩倍，系統可使光電轉換效率有效得到提高，同時太陽能光譜的應用范圍得以拓寬。Chavez-UrbiolaE.A等人研究了在太陽能混合動力系統中應用溫差發電模塊的可能性。其結果表明：隨著溫度的升高，在光伏發電系統中引入溫差發電模塊，系統的發電效率會隨之升高，且溫差發電模塊的效率幾乎與板間的溫度差成線性關系，因此光伏電池板隨溫度升高而損失的能量也逐漸減少。JuX等人設計了一種分光譜的光伏-溫差混合發電系統，實驗研究了其光學性能。其結果為：當聚光比為550~770、換熱系數為300～4500W/m2·K時，該分光譜的光伏-溫差混合發電系統具有優良的電學性能。
B.Lorenzi等建立了PV-TE混合發電系統的數學模型，根據模型計算出PV-TE的性能隨參數變化的關系，并進一步指出PV-TE混合發電系統存在的問題及展望。2005年，武漢理工大學和新能源研發部門(日本)共同開展研究，進行了多年的科技攻關，最終研制出世界上首例千瓦級的PV-TE發電系統。根據波長的不同，采用波長分離器，PV-TE發電系統將太陽光進行分離。
分離后太陽光分為兩個波段：200~800nm和800~3000nm，不同波段的光實現熱電聯產。將200~800nm波段的光主要用于光伏發電;而800~3000nm波段的光用于產熱進行溫差發電，實現了太陽光的梯級利用，提高了太陽光的利用率，并在此基礎上對其效率進行了相關分析。趙在理基于能量分析的基礎，建立了太陽能熱電裝置理論模型，在模型中引入了有效功“火用”的概念，根據模型計算了熱電裝置的相關參數對熱電效率和火用效率的影響規律。
張寧研究結果表明：太陽能熱電系統的輸出功率、效率與熱端和冷端接觸層熱導率成正比關系，然而與器件熱導率成反比關系。器件熱導率的影響遠遠大于接觸層熱導率的影響。楊華峰對太陽能熱電-光電復合發電系統的能量流動、系統的集成拼裝及相應的能量流動進行了分析。綜上所述，目前光伏發電技術趨于成熟，工程上已有大規模的應用。國內外關于光伏發電的PV-TE混合發電系統的研究時間不長，應用還有待進一步擴大。但是從國內外研究學者們的研究成果來看，光伏發電的PV-TE混合發電系統是一種比較有發展前景的光伏發電模式。
結語
光伏發電技術和溫差發電相結合，采用溫差發電技術回收利用太陽能電池板的余熱，沒有投入額外的能源，主要的成本為一次性的系統設備制造與安裝成本。溫差發電技術無工作介質、無運動轉動部件，系統運行成本相對來說比較低廉，可以提高光伏電站的能源利用率;同時減少污染物排放，對環境的改善十分有利。隨著全球的環境日益惡劣，以及人類追求美好生活的愿望逐漸加劇，未來關于光伏-溫差綜合發電系統的應用、開發與研究將會走上一個新臺階。
作者：鄭發松1 王翔1 金家文1 王啟坤1 梁發向1 馬昕霞2
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