一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件及其制备方法 (Photovoltaic thermoelectric integrated device with voltage matching function and preparation method thereof ) 是由 李国强 邓曦 刘兴江 王文樑 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件及其制备方法。所述光伏热电一体化器件,其结构自上而下依次为：光伏电池、导电连接层、热电冷却器、导热连接层和温差电池,其中热电器件集成在光伏电池背面。本发明利用光照下光伏电池片产生的热能转化为电能,具有更高的能量利用效率,能充分利用光伏过程中的废热进行温差发电,通过串联光伏电池和热电冷却器既能给光伏电池降温,保证光伏电池热稳定性,又能使温差电池处保持较大温差,总体器件的能量转化效率,光伏电池和温差电池并联保证二者具有电压匹配。(The invention discloses a photovoltaic thermoelectric integrated device with voltage matching and a preparation method thereof. The photovoltaic thermoelectric integrated device sequentially comprises the following structural components from top to bottom: the thermoelectric device comprises a photovoltaic cell, an electric conduction connecting layer, a thermoelectric cooler, a heat conduction connecting layer and a thermoelectric cell, wherein the thermoelectric device is integrated on the back surface of the photovoltaic cell. The photovoltaic cell and the thermoelectric cooler are connected in series, so that the photovoltaic cell can be cooled, the thermal stability of the photovoltaic cell is ensured, a larger temperature difference can be kept at the thermoelectric cell, the energy conversion efficiency of the overall device is improved, and the photovoltaic cell and the thermoelectric cell are connected in parallel to ensure that the photovoltaic cell and the thermoelectric cell have voltage matching.)
技术领域
本发明属于光伏热器件领域，具体涉及一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件及其制备方法。
背景技术
近年来，随着能源紧缺形势的逐渐严峻，发展清洁环保的新能源、集成新的能源转换方式已成为目前各研究学者关注的重点。太阳能光伏发电技术以其环境友好、高可靠性、能量来源分布广泛等优点，大量应用在卫星、集中发电、民用商品等领域。然而，光伏电池对太阳光的利用只能吸收能量高于太阳电池材料禁带宽度的波段，主要是紫外及可见光等部分光谱，红外及其他区域的光谱无法引起光伏效应，部分从太阳电池透射过去，部分能量以声子形式将热能传导到电池片结构中，引起光伏电池的温度上升，制约光伏电池的性能。热电发电则是可以利用热能，将其直接转换为电能的技术，当热电臂两端存在温差时，会生成电势差，即塞贝克效应；并在通路情况下伴有电流产生。将光伏电池与热电模块耦合能够对光伏电池产生的余热加以利用，实现能源的二次利用。对于光伏热电耦合系统而言，光伏电池光电转化效率随器件温度的上升而下降，而热电模块的发电需要较高的温差，二者受温度变化引发的反向关系是影响系统性能的重要因素。因此，如何强化光伏电池向热电模块的传热并保证热电器件有较大的温差是提高耦合系统总体性能的关键问题。
发明内容
为了改善光伏电池发电过程中的余热利用，减小光伏热电耦合器件中热量聚集引发的热损失，提高光伏热电一体化器件的总体性能，本发明的首要目的在于提供一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件。
本发明所述光伏热电一体化器件既能在光伏电池附近保持较低的热聚集，减少光伏电池的光电转化效率的热损失，延长光伏电池的使用寿命，又能将余热高效传导到温差电池热端，更多地转化为电能，具有光利用率高，能量转化能力强等特点，并且制备工艺成本低。
本发明的再一目的在于提供上述一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件，其结构自上而下依次为：光伏电池、导电连接层、热电冷却器、导热连接层和温差电池；
所述导电连接层一面粘附光伏电池的背电极面，另一面粘附热电冷却器冷端，热电冷却器热端通过导热连接层与温差电池热端粘合固定。
优选的，所述热电冷却器的外接导线通过导电连接层与光伏电池背电极连接，使热电冷却器和光伏电池串联；光伏电池-热电冷却器与温差电池器件并联。
优选的，所述热电冷却器内部由铜箔连接P型、N型热电臂对，构成P-N-P-N热电臂串联回路，温差电池内部由铜箔连接P型、N型热电臂对，构成P-N-P-N热电臂串联回路。
所述温差电池与热电冷却器连接处为热端，温差电池冷端外接热沉系统，增强冷端散热，增加温差电池热电能力。所述光伏电池与热电冷却器电极通过导线串联，光伏电池产生的电流给热电冷却器件供电，将光伏电池在光伏发电过程中的产热运输到温差电池热端。所述光伏电池和温差电池采用并联方法，保证光伏电池和温差电池的电压匹配，从而更好地向外输出电能。
优选的，所述导电连接层通过导电银浆与光伏电池的背电极、热电冷却器冷端连接，从而更方便地引出负极并通过导线与背面器件连接。
优选的，所述光伏电池可以为单结电池或多结电池，所述光伏电池为硅基薄膜太阳电池或砷化镓薄膜太阳电池。
优选的，所述热电冷却器为热电偶封装器件。
优选的，所述温差电池为热电偶封装器件，其材料更优选为锑化铋。
优选的，所述导电连接层材料为金属薄膜、半导体纳米导电薄膜和石墨烯二维薄膜中的至少一种，更优选为金、银、铜、铬和镍中的至少一种材料制备而成的金属薄膜。
优选的，所述导热连接层材料为硅脂、硅胶、相变材料、相变金属胶散热垫片和导热胶中的至少一种；所述导热连接层材料的导热系数范围为0.1～50W·m-1·K-1。
上述一种具有电压匹配的光伏热电一体化器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)用银浆将光伏电池的背电极面与导电连接层粘结固定，再用银浆将热电冷却器集成在导电连接层上；
(2)在热电冷却器上涂覆导热连接层，通过导热连接层将温差电池集成在热电冷却器热端；
(3)将光伏电池负电极-导电连接层与热电冷却器通过导线连接，使光伏电池与热电冷却器串联，将温差电池与光伏电池-热电冷却器并联形成电压匹配的并联电路；
(4)封装成光伏热电一体化电池。
优选地，步骤(1)所述导电连接层和步骤(2)所述导热连接层分别处于热电冷却器两侧。
优选地，步骤(4)所述封装材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明将热电器件和温差电池集成在光伏电池片背面，可以利用光伏发电过程中产生的余热，提高光伏热电一体化器件的能量转换效率。
(2)本发明中的热电冷却器传导的热量聚集在温差电池热端，可以提高温差电池两侧的温度差，从而提高温差电池的热电转换性能，最终增加整个一体化器件的能量转换效率。
(3)本发明采用光伏电池和热电冷却器串联结构，由光伏电池发电给热电冷却器自供电，将由于集成而聚集在光伏电池底部的热量传导到热电冷却器下方，可以有效地给光伏电池降温，从而延长太阳电池片工作使用时间。
附图说明
图1为本发明的光伏热电一体化器件结构示意图，其中太阳电池1、导电连接层2、热电冷却器3、导热连接层4、温差电池5，绝缘陶瓷封装外壳6、N型热电臂7、P型热电臂8、铜箔9。
图2为本发明的光伏热电一体化器件电路连接示意图，其中终端10。
图3为本发明实施例1的光伏热电一体化器件工作温度分布，温度单位为℃。
图4为本发明实施例1的光伏热电一体化器件中太阳电池I-V特性曲线。
图5为传统的光伏热电一体化器件结构工作温度分布，温度单位为℃。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
参照图1，本发明的光伏热电一体化电池器件包括太阳电池(1)、导电连接层(2)、热电冷却器(3)、导热连接层(4)、温差电池(5)。其中，热电冷却器(3)和温差电池(5)主体结构均为热电偶，包括绝缘陶瓷封装外壳(6)、N型热电臂(7)、P型热电臂(8)、铜箔(9)，由铜箔连接N型热电臂(7)和P型热电臂(8)，构成串联回路。热电冷却器的热电偶由太阳能电池供电，起到转移热量给太阳电池降温作用，作为温差电池的热电偶收集器件余热进行发电，提高整个器件的能量转化效率。
参照图2，太阳电池背电极面与热电冷却器件的冷端用导电胶固定，并将热电冷却器引线与导电连接层连接，形成串联结构。太阳电池/热电冷却器耦合结构与热电温差电池器件采用并联结构，保证两者电压匹配。热电冷却器热端与温差电池器件热端以导热胶固定，保证良好接触，促进热能传递。温差电池冷端连接热沉系统，促进温差电池冷端散热。整个光伏/热电一体化体系经终端(10)与外部电路连接，实现给外电路供电的作用。
实施例1
选用砷化镓三结太阳电池，锑化铋温差电池。通过银浆涂抹将光伏电池与导电连接层连接，该导电层选择用铜铝合金薄膜。常温固化后在薄膜另一侧涂抹银浆，连接热电冷却器。在热电冷却器下涂抹导热连接层材料，导热连接层选用导热系数为6W·m-1·K-1的导热硅脂，将温差电池片集成在热电冷却器另一端；连接导线，从光伏电池电极连接导线与热电冷却器串联，与最下方的温差电池形成并联电路；用EVA封装整个光伏热电一体化电池，结构及电路连接如图1-2所示。
本实施例的光伏热电一体化器件工作温度分布参照图3。本实施例的光伏-热电冷却器-温差电池一体化器件中，太阳电池器件的I-V光电性能曲线参照图4，此时一体化器件中的光伏器件温度工作温度为29℃，光电转化效率为25.26％，热电器件部分的能量转化功率密度为5.11W/m2，最终整个一体化器件的输出能量转化效率为25.77％。
参照图5，未添加热电冷却器时(传统的光伏热电一体化器件)，通过银浆涂抹将光伏电池背电极与导电连接层连接，该导电层选择用铜铝合金薄膜。常温固化后在薄膜另一侧涂抹导热系数为6W·m-1·K-1的导热硅脂，将温差电池片集成在导电薄膜层下侧。这种光伏-温差一体化器件太阳电池稳态工作时电池温度为32℃，太阳电池光电转化效率为24.57％，热电器件部分的功率密度为3.85W/m2，最终整体一体化器件的能量转化效率为24.95％。
实施例2
选用单晶硅太阳电池，锑化铋温差电池。通过银浆涂抹将光伏电池与导电连接层连接，该导电连接层选择用铜箔。常温固化后在铜箔另一侧涂抹银浆，连接热电冷却器。在热电冷却器下涂抹导热连接层材料，导热连接层材料选用导热系数为1.0W·m-1·K-1的导热硅胶，将温差电池片集成在热电冷却器另一端；连接导线，光伏电池电极连接导线与热电冷却器串联，与最下方的温差电池形成并联电路；用EVA封装整个光伏热电一体化电池，结构及电路连接如图1-2所示。该光伏-温差一体化器件的太阳电池光电转化效率为23.87％，热电器件部分的功率密度为4.11W/m2，最终整体一体化器件的能量转化效率为24.28％。
实施例3
选用多晶硅太阳电池，锑化铋温差电池。通过银浆涂抹将光伏电池与导电连接层连接，该导电层选择用铝箔。常温固化后在铜箔另一侧涂抹银浆，连接热电冷却器。在热电冷却器下涂抹导热连接层材料，导热连接层选用导热系数为4W·m-1·K-1的导热硅脂，将温差电池片集成在热电冷却器另一端；连接导线，从光伏电池电极连接导线与热电冷却器串联，与最下方的温差电池形成并联电路；用EVA封装整个光伏热电一体化电池，结构及电路连接如图1-2所示。该光伏-温差一体化器件的太阳电池光电转化效率为21.14％，热电器件部分的功率密度为4.24W/m2，最终整体一体化器件的能量转化效率为21.56％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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