倪露露同学发表中科院一区论文——

基于功能复合化智能热管理的高效光热互补能量收集系统

2022年10月17日，上海理工大学王宁老师课题组最新的研究成果论文发表在中科院一区期刊《Energy Management and Conversion》（IF：11.5）。倪露露同学是该工作的主要贡献者，同时该项成果IF首次突破10，刷新了实验室的历史纪录。论文首次将热电发生器（TEG）和热电冷却器（TEC）同时运用于光伏电池的散热和能量收集，提出了一种可以在TEG和TEC模式下智能转换的功能复合化的高效光热互补能量手机系统。该系统有效降低了光伏电池的工作温度，提高了电池寿命。同时也具有较为优秀的光伏效率，也为光伏电池后续的发展提供了一种新的思路。

背景介绍

随着工业和经济的发展，常规能源的储量日益减少，对能源的需求迅速增加。太阳能作为一种具有代表性的可再生清洁能源，是解决能源需求问题的潜在选择。光伏( PV )电池可以将光能转化为电能，但其性能高度依赖于电池温度。光伏电池的转换效率和寿命随着温度的升高而降低。因此，许多研究集中在通过使用不同的冷却技术，如水冷却、空气冷却、相变冷却、热电冷却等来提高光伏电池板的转换效率和使用寿命。特别是热电制冷，由于其无污染、温度调节精确、易于集成等优点，更适合冷却光伏电池。因此，越来越多的研究人员开始关注能够实现热量传递的混合光伏-热电耦合系统( PV-TE )能量收集系统。通过使用TEG，可以在温度梯度下产生电能。如果电流流过热电器件，使用TEC可以在热电模块上产生热梯度。因此，PV - TE系统一般可以分为PV - TEC系统和PV - TEG系统两种，这两种系统都可以通过传热来提高光伏电池的性能。

系统组成和原理

该论文提出的系统（如图1）主要有两部分组成：智能温度控制模块和升压模块。智能温度控制模块可以根据光伏电池板的实时工作温度自适应地选择工作模式，以适应光伏电池对外界环境条件依赖的动态变化。当监测到光伏电池的当前温度低于设定温度值时，TE器件将自动转变为TEG模式以提取电能，同时水冷系统将以恒定的水速运行，当监测到光伏电池当前温度高于设定温度值时，TE器件将切换至TEC模式对光伏板进行冷却，并在该模式下提高水流速。升压模块使用DC - DC变换器来给予系统稳定的电压输出。考虑到TEG产生的电压远小于光伏电池的电压，光伏电池和TEG采用独立的DC - DC模块。系统的DC - DC稳压电路分为两个电路进行设计：一个与光伏电池相连，另一个与TEG相连。本实验采用两组充电面板对两对电池组进行充电，实现了充电保护的功能，提高了系统安全性，避免了不必要的损失。在该系统中，基于TE器件的双向特性，通过继电器开关进行自动电路变换。当光伏电池的当前温度未达到设定值时，继电器将自动切换到TEG电路，并将执行能量收集。当TE工作在TEC模式时，PV电池输出的电能用于为TEC供电，从而实现能量的有效利用。TE器件可根据当前光伏工作温度自动切换，可有效提高资源和电能的利用率。此外，可以选择性地调节TEG模式或TEC模式的时间窗比例，这将有助于在TEG模式下实现宽范围的输出功率。

图1：实验系统实物图

总结与展望

该系统与无TE的光伏系统相比，光伏电池板的温度降低了15.3 %，光伏电池的输出功率平均提高了14.4 %。与PV -热电制冷( TEC )系统相比，该系统克服了TEC全程耗电的缺点，能够有效收集TEG产生的电能，提高了57.9 %的能量转换效率。此外，通过CAD等计算机辅助设计可以将PV和TE模块的耦合在尺寸和体积上进行集成，因此在光伏领域可以实现较高的应用价值。在下一步工作中，课题组将针对不同光伏面积和TEG模块数量进行分析和实验，在显著降低光伏温度的同时研究输出总功率对延长光伏电池的使用寿命。