Applied Energy: 不同光伏/热混合热电模块的性能比较

论文信息：

T. Li, J. Y. Yu, X. Y. Peng, W. J. Zhou, C. L. Xu, G. N. Li, Q. J. Mao, Comparison of the thermoelectric performance of different photovoltaic/thermal hybrid thermoelectric generation modules: An experimental study. Applied Energy, 378, 124771 (2025).

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124771

研究背景

为了提高光伏/热混合热电模块（PV/T-TEG）的热电性能，设计了一种新型的光伏/2热相变材料热电组件（PV/2 T-PCM-TEG），该组件由PV-PCM-TEG和TEG冷热侧的两层弯曲铜管组成。本研究设计并搭建了PV、PV/T、PV/T-PCM、PV/T-PCM-TEG和PV/2 T-PCM-TEG五种组件的实验平台，并进行了性能对比分析。结果表明，PV/2 T-PCM-TEG不仅能更有效地提高光伏电池的发电性能，还能获得更多的热能，有效改善热电性能，为PV/T-TEG结构设计提供参考依据。

研究内容

实验台主要由五种类型的PV/T-TEG组件、热采集系统、电采集系统和数据采集系统组成。实验平台的示意图如图1所示。五种PV/T混合热电模块以相同的倾角并排安装，除组件1外，其余四个模块并联，作为热泵蒸发器接入集热系统。四种光伏/热混合热电模块加热制冷剂，得到的低压蒸汽被压缩机压缩，变成高温高压的制冷剂气体，然后通过冷凝器换热，将热量输送到生活用热的末端。

图1.五个PV/T-TEG组件的实验布局。

如图2所示，PV/2 T-PCM-TEG组件和四种其它组件PV、PV/T、PV/T-PCM和PV/T-PCM-TEG的示意图。组件1使用仅输出电能的标准PV电池，作为其他四个组件的比较基准。组件2使用标准PV/T面板，在光热部分具有蛇形铜管用于热交换。组件3基于组件2，光热部分的蛇形铜管封装在15 mm厚的复合PCM中。组件4在PCM的底部安装有热电发电机(TEG )，并且底层覆盖有0.3 mm的铝吸热板作为TEG冷侧散热器。

图2. 五种类型的PV/T-TEG组件的示意图。

图3显示了PV电池的表面温度。组件1的PV电池的表面温度始终是最高的，在13:40达到最大值50°C。这是因为组件1没有有效的冷却措施，仅依靠与周围空气的对流和辐射来降低表面温度。从实验开始，组件3、4和5的PV电池的表面温度显著低于组件1和2的表面温度。原因是后三个组件在部件2的基础上被PCM从根本上冷却了。组分5具有最好的冷却效果。增强的TEG回收了更多的热量，增加了两侧的温差，使得制冷效果更加显著。

图 3. 光伏电池的温度。

组件3、4和5的PCM温度如图5a所示。三种组件内相变材料的融化温度为37 ℃，凝固温度为36 ℃。12:00 后，组件3中 PCM 的温度继续上升，先后超过了组件 5 和组件 4 的温度。相变在 12:15 时发生融化，在 16:15 时凝固，持续了 4 小时。然而，部件5的PCM仅处于融化状态1h 55min。这是因为组件3的PCM除了从环境中对流散热和辐射散热外，没有更有效的冷却措施。然而，组件5的PCM利用了增强的TEG，其通过制冷剂流动增强了热传递，增加了两侧之间的温差，并且改善了冷却效果。图5b显示了组件4和组件5的 TEG 冷热侧的温度和温度梯度。在整个实验过程中，组件4的冷热侧温度均高于组件 5，但温度梯度较小。原因是组件5的TEG的冷侧是在组件4的基础上安装的，安装蛇形铜管后通过制冷剂进行热交换，增加了温度梯度。组件5的 TEG 可在 12:30 至 16:30 期间保持超过 7 ℃的温差，最大温差可达 9.6 ℃。

图 4. (a)PCM的温度和TEG的温度梯度

如图5所示，讨论了五个光伏组件的功率输出和性能。光伏电池的发电量如图5a所示。组件4和5的发电量明显高于其他三个组件，一方面是光伏电池自身的发电特性，其发电能力与太阳辐射强度并不完全相关；另一方面是光伏电池的散热能力，散热能力越差，光伏电池表面温度越高，发电能力越低。值得注意的是，14:30 后，组件1和组件2的发电量连续陡降，这主要是由于高层建筑遮阳的影响。五组光伏电池的发电效率见图5b。组件5的发电量在 11:30 超过元件 4，并在 14:45 达到最大值 0.67 W（图5c）。图5d显示了组件4和5的 TEG 的发电效率。实验开始后，TEG 的发电效率呈上升趋势，到实验结束时，TEG 模块仍保持较高的效率。当没有太阳时，由于 PCM 温度较高，TEG 还能继续发电。图5e和f显示了五个光伏组件的总发电量和效率。

图5.(a)光伏电量(b)光伏电效率(c) TEG电量(d) TEG效率(e)总电量(f)总电效率。

从图6a中可以看出，组件2和组件 5 的 TEG 层中蛇形铜管的加热功率在达到峰值后迅速下降。这是因为这两组蛇形铜管都暴露在环境中，只有一部分以导热膏为介质进行热交换。然而，其他三组蛇形铜管都完全包裹在 PCM 中，加热功率在达到峰值后仅略有下降。渗入 PCM 的三组蛇形铜管的加热功率与 PCM 的温度变化密切相关。图6b显示了5组蛇形铜管的制热效率。参照图4b和图5c，与组件5相比，组件4的热电模块后部没有蛇形铜管来加强热交换，冷侧和热侧的温差较小，发电量也较小。因此组件5的设置提高了热电模块的发电量。

图6. (a) 热功率 (b) 热效率。

每个组件的电和火用效率是每个组件的电能和热能之和除以每个光伏电池吸收的太阳能（图7）。从组件1到组件5，平均总火用效率和最高总火用效率逐步提高。具体而言，与前四个组件相比，组件5的平均总火用效率分别提高了 55.11 %、42.61 %、11.39 % 和 5.92 %，最大总火用效率分别提高了 63.14 %、29.37 %、7.68 % 和 8.50 %。

图7.电效率和火用效率。

结论与展望

综上所述，为了探索PV/T-TEG组件的新结构并优化热电性能，本研究对PV、PV/T、PV/T-PCM、PV/T-PCM-TEG、PV/2 T-PCM-TEG五种组件进行了详细的比较。设计了实验台，在天气条件下进行了测试，收集了5个组件的实验数据。并从能量输出、火用输出、能量效率和火用效率等方面进行了评价。

热辐射与微纳光子学