[发明专利]基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏‑热电耦合发电系统及工作方法，该耦合发电系统由气凝胶隔热层、光伏电池、相变材料控温层、隔热转轴、热电元件、热沉以及电动机组成；本发明通过电动机驱动耦合发电系统转动，实现发电系统24小时连续高效发电；白天光照期，带有气凝胶隔热层的光伏电池面向天空，利用太阳能实现光伏发电，相变储热和温差发电等功能；夜晚非光照期，电动机驱动发电系统翻转，热沉端面向天空，利用相变材料储存的热量和热沉表面的辐射制冷，实现热电材料持续高效发电的功能；本发明集合气凝胶的隔热作用，相变材料的储热/控温作用和夜晚天空的辐射制冷作用，可实现太阳能的高效利用，显著提升光伏‑热电系统的发电效率。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电、半导体温差发电、相变储能及辐射制冷等技术领域，特别涉及基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及其工作方法。

背景技术

由于环境污染问题和化石能源短缺问题的加剧，发展清洁可再生能源，逐步替换化石燃料已经成为全世界的共识。太阳能作为目前最具可再生和发展潜力的能源之一，其高效利用受到了广泛关注。利用光伏电池的光电效应实现光-电转换，是目前太阳能利用领域的研究热点，也是我国太阳能利用的重要发展方向。但是目前光伏发电技术的光-电转换效率通常在20％左右，剩余80％的太阳辐射能在光伏电池内转换成热量，这部分热量如果不能合理管理利用，不仅造成能源浪费，而且会引起光伏电池表面温度升高，导致光伏发电效率降低。相变材料通过固-液相变可以实现储热和控温的作用，将相变材料引入光伏电池表面的控温，可以有效率降低电池表面温度，提升光电转换效率。为了充分利用相变材料储存的热量，在相变材料的另外一侧耦合热电转换器件，形成光伏-相变材料-热电耦合发电系统，使相变材料储存的热量在无光照期，通过热电元件进行温差发电，可以显著提升太阳能的利用率。

光伏-相变材料-热电耦合发电系统具有结构简单、运行维护方便、发电效率高等优点，在太阳能高效利用领域具有广泛的应用前景。然而，现有的光伏-相变-热电耦合系统，仍然存在一系列问题：在白天光伏表面散热严重，大量太阳辐射能没有被相变材料储存，而是散失到空气中，造成能源浪费；在夜晚由于光伏表面的散热作用，相变材料储存的热量不能充分利用，大部分热量通过光伏电池表面散失，通过热电元件的热流量非常低，造成发电量降低；此外，夜晚地表温度较高也会引起热电冷端的散热性能降低，造成热电效率下降。上述问题，造成白天的太阳辐射能不能充分利用，夜晚热电元件发电效率低，甚至不发电的问题，无法实现热电转换系统的24小时连续高效发电。

发明内容

本发明的目的在于克服传统光伏-相变-热电耦合发电系统的设计缺陷，提供一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统及其工作方法，通过气凝胶的隔热作用来阻止太阳辐射能的损失，提高太阳能利用率；通过电动机驱动的翻转结构，在夜晚使热沉散热端面向天空，利用辐射制冷降低热沉表面温度，提升热电器件的发电效率。该系统具有发电效率高、太阳能利用率高、可实现24小时连续发电等优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于气凝胶隔热和相变控温的光伏-热电耦合发电系统，所述系统包括气凝胶隔热层1、光伏电池2、相变材料控温层3、隔热转轴4、热电元件、热沉7和电动机8；其中，热电元件由陶瓷层5和位于陶瓷层5之间的热电引脚6组成，气凝胶隔热层1覆盖且固定在光伏电池2的受光面；相变材料控温层3固定在光伏电池2和热电元件的的热端之间，热沉7覆盖且固定在热电元件的冷端表面，隔热转轴4的一端穿插并且固定在相变材料控温层3的内部，另一端和电动机8相连。

所述气凝胶隔热层1表面积和光伏电池2的受光面表面积相同，采用隔热性能好，对太阳光谱透过率高的材料，起到隔绝光伏电池表面向外界散热的作用。

所述光伏电池2为GaInP/GaInAs/Ge三结砷化镓电池。