專利名稱：基于太陽能光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合能源發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合能源發(fā)電系統(tǒng)，特別涉及一種基于太陽能光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合能源發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽能光伏電池是由光電效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，光伏電池的工作原理是太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上形成空穴-電子對，在P-N結(jié)電場的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形成電流。通過改變PN結(jié)的串并聯(lián)形式可以獲得不同數(shù)值的輸出電壓，改變光伏電池的面積可以獲得不同的輸出功率。它是一種清潔、可再生能源。
目前投入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要是硅系太陽能電池，硅系光伏電池表面為深色，吸收一定的太陽輻射后電池溫度會升高。如文獻(xiàn)1《太陽能建材技術(shù)的研究與開發(fā)(I)——光伏屋頂熱性能的調(diào)查》(趙春江、崔容強(qiáng)，太陽能學(xué)報(bào)，2003年第24卷第3期352-356)中介紹對單晶硅光伏電池進(jìn)行測試，在環(huán)境溫度為33～35℃時(shí)，光伏電池的背面溫度與環(huán)境的溫差變化數(shù)值從早上9點(diǎn)到下午3點(diǎn)變化范圍為5～20℃；文獻(xiàn)2《太陽光伏陣列的溫度與紅外特性分析》(王培珍、沈玉樑、楊維翰，太陽能學(xué)報(bào)，2005年第26卷第1期82-85)提出在冬季1月份環(huán)境溫度為0℃時(shí)，硅光伏電池組件正常工作部分溫度為12℃，在春季4月份環(huán)境溫度約為22℃時(shí)，電池組件正常工作部分的溫度為46℃，這使得光伏電池背溫與環(huán)境有10～15℃的溫差。
光伏電池的溫度直接影響了光伏電池的輸出電壓、轉(zhuǎn)換效率及使用壽命。因此要使光伏電池保持在較低溫度下工作，提高其輸出功率。
半導(dǎo)體溫差發(fā)電是由賽貝克效應(yīng)把熱能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，它的工作原理是由N型和P型半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成的回路中若兩個(gè)接頭處存在溫度梯度，高溫端空穴和電子濃度較低溫端高，在載流子濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，從而在高、低溫端形成電勢差，當(dāng)回路接通時(shí)會有電流輸出。將多對P型和N型熱電半導(dǎo)體材料連接起來組成模塊就可獲得不同數(shù)值的輸出電壓和功率。
目前，太陽能光伏發(fā)電和溫差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，尤其是太陽能光伏發(fā)電獲得了廣泛的應(yīng)用，而溫差發(fā)電技術(shù)則應(yīng)用在熱端溫度較高的情形，沒有直接利用光伏電池背溫作為溫差發(fā)電動力。我國大多數(shù)地區(qū)日照時(shí)間相對較長，太陽能資源豐富，將利用太陽能光伏電池背溫作為發(fā)電動力的溫差發(fā)電系統(tǒng)與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成混合發(fā)電系統(tǒng)，不僅充分利用了太陽能光伏發(fā)電這種清潔能源，也解決了光伏電池背溫過高影響發(fā)電效率的電池散熱問題，為半導(dǎo)體溫差發(fā)電開辟了新的應(yīng)用空間，具有節(jié)能、無污染、安全穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
美國專利US3,956,017提出了一種由太陽能光伏電池和溫差發(fā)電模塊組成的光電換能器，如

圖1所示。其特征在于利用固定在光伏電池底部、具有高熱導(dǎo)率的金屬材料將光伏電池產(chǎn)生的熱量傳遞給溫差發(fā)電模塊，該專利的優(yōu)點(diǎn)是金屬導(dǎo)熱層增大了光伏電池與溫差發(fā)電模塊間的熱傳導(dǎo)，使光伏電池將熱量更多的傳遞給溫差發(fā)電模塊，但是受溫差電材料的性能制約，溫差發(fā)電模塊在較低溫差(≤30℃)條件下發(fā)電性能較差，若要獲得滿足負(fù)載需求的工作電壓和電流，必須將多對P-N結(jié)串并聯(lián)，而該專利金屬導(dǎo)熱層的設(shè)計(jì)卻沒有考慮到光伏電池和溫差發(fā)電模塊、溫差發(fā)電模塊內(nèi)P-N結(jié)電極間的電絕緣問題。并且金屬導(dǎo)熱層也增加了微能源發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有溫差發(fā)電技術(shù)在較低溫差下無法獲得負(fù)載需要的工作電壓和電流的缺點(diǎn)，提出一種新的由太陽能光伏電池和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊構(gòu)成的混合能源系統(tǒng)。
本發(fā)明在溫差發(fā)電模塊上加上絕緣導(dǎo)熱陶瓷，光伏電池和溫差發(fā)電模塊間用絕緣導(dǎo)熱硅膠相聯(lián)，將帶電的光伏電池和溫差發(fā)電器分離，解決了絕緣和傳熱的問題。冷端通過添加散熱器來增大溫差。
本發(fā)明體積小，攜帶方便，可應(yīng)用到為野外以及軍事、航空等技術(shù)領(lǐng)域中的微型裝置如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、照明等裝置提供電源，也適合用于遠(yuǎn)離電網(wǎng)，獨(dú)立的小功率用電系統(tǒng)，對于野外旅游、孤島供電等有較好的應(yīng)用前景。
本發(fā)明包括太陽能光伏電池、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊和電源電路，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊熱端與太陽能光伏電池背面通過導(dǎo)熱硅膠相連，光伏電池和溫差發(fā)電模塊通過導(dǎo)線與電源電路相連。太陽能光伏電池向陽面用樹脂封裝，電池背面用導(dǎo)熱銅片封裝；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊冷、熱端為絕緣導(dǎo)熱性能優(yōu)良的氧化鋁陶瓷片，邊緣設(shè)有保溫模套。在與光伏電池背面接觸的熱端氧化鋁絕緣陶瓷片上均勻涂覆導(dǎo)熱硅膠，以增大光伏電池與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊間的熱傳導(dǎo)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊冷端設(shè)有散熱器以保持與外接環(huán)境溫度一致。所述的電源電路設(shè)有接在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出端的DC/DC升壓電路；鋰離子電池恒流恒壓充電電路；以及由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和控制開關(guān)組成的切換電路。
本發(fā)明的原理是光伏電池吸收太陽光線，將光能轉(zhuǎn)化成電能輸出。而光伏電池吸收太陽光后溫度升高成為半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的熱源，將熱量源源不斷地通過導(dǎo)熱硅膠傳遞給半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端使用鋁質(zhì)肋片風(fēng)冷式散熱器，使冷端溫度始終低于熱端溫度，在P型、N型半導(dǎo)體間形成溫度梯度，即可實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電。由半導(dǎo)體溫差電源輸出的直流電壓，根據(jù)負(fù)載用電需求和鋰離子蓄電池充電要求，通過DC/DC升壓電路輸出高于4.2V的直流電壓，經(jīng)過升壓電路后將電量輸送給鋰離子蓄電池B儲存起來。太陽能光伏的能量密度較高，在白天日照強(qiáng)烈時(shí)不僅能滿足負(fù)載的用電需求，還可將大量的電能存儲在鋰離子蓄電池A中。當(dāng)太陽能光伏電池輸出的電壓低于3V不能滿足負(fù)載用電需求時(shí)，鋰離子蓄電池A則通過切換電路放電為負(fù)載輸出直流電壓。當(dāng)鋰離子蓄電池A中的電量也不能滿足負(fù)載用電需求時(shí)，可通過切換電路將鋰離子蓄電池B作為電源，以上所述的混合電源電力輸出切換功能是由狀態(tài)切換電路實(shí)現(xiàn)的，這樣的電路設(shè)計(jì)是為了保證電源系統(tǒng)能夠持續(xù)穩(wěn)定的為用電負(fù)載供應(yīng)電力。
本發(fā)明是一種適用于小功率、小體積用電負(fù)載的混合電源，它充分利用了太陽的光能和熱能，本發(fā)明還具有如下的優(yōu)點(diǎn)1、充分利用了由于光照引起的光伏電池溫升，將熱能轉(zhuǎn)化為電能；同時(shí)及時(shí)將熱量傳遞給溫差發(fā)電模塊，解決了光伏電池散熱問題，避免由于溫度高而引起的輸出功率降低。
2、混合能源的體積較小，適用于對功能單元體積要求小的用電系統(tǒng)；輸出功率可根據(jù)用電負(fù)載靈活調(diào)節(jié)。
3、混合電源電路邏輯設(shè)計(jì)合理，能實(shí)現(xiàn)直接輸出供負(fù)載用電和電能存儲；充、放電路具有防過充、過放、回流、過溫等功能，保證了鋰離子蓄電池和用電負(fù)載的正常工作；能實(shí)現(xiàn)混合電源供電和鋰離子蓄電池供電自動切換，減少了操作復(fù)雜性。
4、可常年置于戶外，當(dāng)混合能源供能充足時(shí)，可實(shí)現(xiàn)為鋰離子蓄電池和用電負(fù)載同時(shí)供電；當(dāng)混合能源供能不足時(shí)，則由鋰離子蓄電池為用電負(fù)載供電。則在多個(gè)陰雨天均能連續(xù)工作，對需要實(shí)時(shí)工作的用電系統(tǒng)具有特殊的意義。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為美國專利US3,956,017的混合電源結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為太陽能光伏電池截面示意圖，圖中100為光伏電池，101為上電極，102為減反射膜，103為N型半導(dǎo)體，104為P型半導(dǎo)體，105為下電極。
圖3為半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)示意圖，圖中200為溫差發(fā)電模塊，201為冷端絕緣導(dǎo)熱板，202為熱端絕緣導(dǎo)熱板，203為導(dǎo)流片，204為N型半導(dǎo)體，205為P型半導(dǎo)體。
圖4為由太陽能光伏電池和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊構(gòu)成的混合能源，圖中301為散熱器。
圖5為電路邏輯原理框圖，圖中401為DC/DC升壓電路，402為鋰離子蓄電池1，403為A/D轉(zhuǎn)換器，404為鋰離子蓄電池2，405為控制開關(guān)，406為單片機(jī)，407為穩(wěn)壓電路，408為負(fù)載。
具體實(shí)施例方式
圖2為太陽能光伏電池結(jié)構(gòu)示意圖，太陽光透過減反射膜[102]照在半導(dǎo)體P[104]、N[103]結(jié)上形成新的空穴-電子對，在結(jié)電場的作用下空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，將上電極[101]和下電極[105]接通電路后就能輸出電流。一對P-N結(jié)的工作電壓約在0.45～0.5V，工作電流約在20～25mA/cm2。
圖3半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)示意圖，由N型[204]和P[205]型半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成的回路中，熱端絕緣導(dǎo)熱板[202]的溫度高于冷端絕緣導(dǎo)熱板[201]，在載流子濃度梯度的驅(qū)動下，空穴和電子向低溫端擴(kuò)散從而形成電勢差，當(dāng)使用導(dǎo)流片[203]接通回路時(shí)會有電流輸出。一對P-N結(jié)的工作電壓為V＝α(T1-T2)，α是塞貝克系數(shù)由材料屬性決定，T1、T2為熱、冷端溫度；工作電流為I=α(T1-T2)RL+R,]]>RL、R為溫差發(fā)電模塊內(nèi)阻和負(fù)載電阻。
若要獲得滿足負(fù)載需求功率的光伏電池組件和溫差發(fā)電模塊，就需要分別將光伏電池和溫差發(fā)電模塊中的多個(gè)P-N結(jié)串并聯(lián)后使用，它們遵循串聯(lián)電流不變電壓疊加、并聯(lián)電壓不變電流疊加的原則。
如圖4所示，太陽能光伏電池[100]的下電極[105]與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]的熱端絕緣導(dǎo)熱板[202]通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合在一起，以便將太陽能光伏電池[100]吸收的熱量無損失、快速地傳遞給半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]的冷端絕緣導(dǎo)熱板板[201]與鋁質(zhì)散熱器[301]通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合在一起，鋁質(zhì)散熱器[301]的作用是將由熱端傳導(dǎo)過來的熱量、半導(dǎo)體發(fā)電模塊[200]自身產(chǎn)生的焦耳熱和湯姆遜熱導(dǎo)出，使得半導(dǎo)體發(fā)電模塊[200]冷端溫度與環(huán)境溫度一致，保證半導(dǎo)體發(fā)電模塊[200]冷、熱端有一定的溫度梯度。
本發(fā)明是將太陽能光伏電池[100]和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]通過電路并聯(lián)的形式構(gòu)成混合能源。如圖5所示，光伏電池[100]輸出端直接連接鋰離子蓄電池A[402]、A/D轉(zhuǎn)換器[403]和控制開關(guān)[405]；而半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]輸出端直接連接DC/DC升壓電路[401]后與鋰離子蓄電池B[404]連接，鋰離子蓄電池B[404]再分別與A/D轉(zhuǎn)換器[403]和控制開關(guān)[405]連接。A/D轉(zhuǎn)換器[403]在檢測到光伏電池[100]、鋰離子蓄電池A[402]和鋰離子蓄電池B[404]的輸出電壓后，將信號送給單片機(jī)[406]，由單片機(jī)根據(jù)固有的程序設(shè)計(jì)控制開關(guān)電路[405]的通斷電路，實(shí)現(xiàn)三種電源光伏電池[100]、鋰離子蓄電池A[402]和鋰離子蓄電池B[404]的交替供電，使得負(fù)載[408]在有無光照時(shí)均能不間斷的工作。
本發(fā)明曾以無線傳感器節(jié)點(diǎn)為負(fù)載進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作電壓在2.7V～5.0V，平均工作電流為8mA。具體參數(shù)如下1、單晶硅光伏電池[100]實(shí)驗(yàn)中選擇的是63mm×69mm×3.12mm的單晶硅光伏電池，在AM1.5，t＝25℃條件下，開路電壓是7.11V，短路電流是93.78mA。晴朗天氣條件下，該電池的輸出電壓在3.8～4.5V，輸出電流在50mA～60mA(隨日照強(qiáng)度變化)。
2、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]實(shí)驗(yàn)中選擇的是由4片30mm×30mm×3.92mm串聯(lián)構(gòu)成的溫差發(fā)電模塊，每片又由126對熱電偶串聯(lián)構(gòu)成。如文獻(xiàn)1中介紹，在環(huán)境溫度為33～35℃時(shí)，光伏電池的背面溫度與環(huán)境的溫差變化數(shù)值從早上9點(diǎn)到下午3點(diǎn)變化范圍為5～20℃，因此估算該發(fā)電模塊在冷、熱端溫差在5℃、10℃和20℃時(shí)能獲得的開路電壓分別為0.97V、1.95V和3.91V，最大輸出電流為16.67mA、33.33mA和66.67mA。
3、DC/DC升壓電路為了充分利用溫差發(fā)電模塊輸出的電能，由半導(dǎo)體發(fā)電模塊[200]輸出電壓經(jīng)過DC/DC升壓電路升壓至大于4.2V后為鋰離子蓄電池B[404]充電，充電電流為10mA～30mA。
4、鋰離子蓄電池充電電路當(dāng)光伏電池[100]輸出電壓高于4.2V時(shí)，會以50mA～60mA(取決于日照強(qiáng)度)的充電電流為鋰離子蓄電池A[402]充電；隨著充電時(shí)間延長，電池電壓升至4.2V時(shí)，充電電路保護(hù)功能啟動使蓄電池不再充電，而蓄電池輸入端的防逆流二極管開始工作防止蓄電池電流回流。
5、狀態(tài)切換電路A/D轉(zhuǎn)換器[403]在檢測到光伏電池[100]、鋰離子蓄電池A[402]和鋰離子蓄電池B[404]的輸出電壓后，將信號送給單片機(jī)[406]，由單片機(jī)根據(jù)固有的程序設(shè)計(jì)控制開關(guān)電路[405]的通斷電路，實(shí)現(xiàn)三種電源光伏電池[100]、鋰離子蓄電池A[402]和鋰離子蓄電池B[404]的交替供電，使得負(fù)載[408]在有無光照時(shí)均能不間斷的工作。為負(fù)載供電的電源設(shè)計(jì)優(yōu)先級是光伏電池[100]優(yōu)先于鋰離子蓄電池A[402]，鋰離子蓄電池A[402]優(yōu)先于鋰離子蓄電池B[404]。
6、穩(wěn)壓電路該穩(wěn)壓電路是將光伏電池[100]輸出的電壓和鋰離子蓄電池A[402]、鋰離子蓄電池B[404]的輸出電壓穩(wěn)定在3V，為負(fù)載提供直流電。
本發(fā)明操作控制簡單，只需根據(jù)負(fù)載用電需求合理設(shè)計(jì)光伏電池和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的PN結(jié)串并聯(lián)形式，經(jīng)過后續(xù)電源電路的控制即可獲得用電負(fù)載工作所需的直流電壓。經(jīng)過理論計(jì)算，若采用容量為1400mAh的鋰離子蓄電池A[402]和500mAh的鋰離子蓄電池B[404]作為儲能元件為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在5個(gè)陰雨天持續(xù)不間斷工作。
權(quán)利要求
1.一種基于太陽能光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于包括太陽能光伏電池[100]、半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]和電源電路；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]的熱端絕緣導(dǎo)熱板[202]與太陽能光伏電池[100]的底電極[105]通過導(dǎo)熱硅膠相連，太陽能光伏電池[100]和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]通過導(dǎo)線與電源電路相連；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]的熱端絕緣導(dǎo)熱板[205]與散熱器[301]通過導(dǎo)熱硅膠相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于太陽能光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于太陽能光伏電池[100]輸出端直接連接鋰離子蓄電池A[402]、A/D轉(zhuǎn)換器[403]和控制開關(guān)[405]；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]輸出端直接連接DC/DC升壓電路[401]后與鋰離子蓄電池B[404]連接，鋰離子蓄電池B[404]再分別與A/D轉(zhuǎn)換器[403]和控制開關(guān)[405]連接；A/D轉(zhuǎn)換器[403]在檢測到光伏電池[100]、鋰離子蓄電池A[402]和鋰離子蓄電池B[404]的輸出電壓后，將信號送給單片機(jī)[406]，由單片機(jī)根據(jù)固有的程序設(shè)計(jì)控制開關(guān)電路[405]的通斷電路，實(shí)現(xiàn)三種電源光伏電池[100]、鋰離子蓄電池A[402]和鋰離子蓄電池B[404]的交替供電，使得負(fù)載[408]在有無光照時(shí)均能不間斷的工作。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于太陽能光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合能源發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于太陽能光伏電池[100]的向陽面用樹脂封裝，背面用導(dǎo)熱銅片封裝；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]冷、熱端為絕緣導(dǎo)熱性能優(yōu)良的氧化鋁陶瓷片，邊緣設(shè)有保溫模套；在與太陽能光伏電池[100]背面接觸的熱端氧化鋁絕緣陶瓷片上均勻涂覆導(dǎo)熱硅膠；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]冷端設(shè)有散熱器[301]；所述的電源電路設(shè)有接在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊輸出端的DC/DC升壓電路；鋰離子電池恒流恒壓充電電路；以及由A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和控制開關(guān)組成的切換電路。
全文摘要
一種基于太陽能光伏效應(yīng)和熱電效應(yīng)的混合能源發(fā)電系統(tǒng)，主要包括太陽能光伏電池[100]和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]。半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]的熱端絕緣導(dǎo)熱板[202]與太陽能光伏電池[100]的底電極[105]通過導(dǎo)熱硅膠相連，太陽能光伏電池[100]和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]通過導(dǎo)線與電源電路相連；半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]的熱端絕緣導(dǎo)熱板[205]與散熱器[301]通過導(dǎo)熱硅膠相連。太陽能光伏電池[100]產(chǎn)生的電能和半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊[200]輸出的經(jīng)DC/DC電路升壓后的電能分別存儲在不同的鋰離子蓄電池中，經(jīng)過后續(xù)電源電路的控制、分配即可獲得滿足負(fù)載工作所需的直流電壓。本發(fā)明充分利用了低品味熱能并解決了光伏電池溫度過高而影響發(fā)電性能的問題，提高了發(fā)電效率，延長了光伏電池使用壽命。
文檔編號H02N6/00GK1960118SQ20061011470
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者尚永紅, 李艷秋 申請人:中國科學(xué)院電工研究所