一种光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统

本技术涉一种光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统。本系统主要利用光伏材料对太阳能进行一次收割发电。其次利用热电材料，将光伏材料吸收太阳能所产生的热量，进行二次利用并发电。最终我们在热电材料的冷端接入水冷散热模块，提升整体器件的能量转换效率。属于太阳能发电。

背景技术：

1、近年来，全球性的能源危机与气候变化导致的各项极端气候，共同导致了一系列的经济、社会和环境问题。我们长期依赖的化石能源，如煤炭、石油、天然气等，不仅在日益增长的能源需求下日渐枯竭，而且其燃烧产生的温室气体，如二氧化碳，又进一步加剧了气候变化，从而使人类生存面临着巨大的挑战。

2、太阳能是地球上最丰富和可获取的可再生能源之一。而光伏(pv)技术可以将太阳光能直接转化为电能，为应对全球性能源危机，气候变化和碳中和的挑战具有重要意义。硅是最常见和占主导地位的pv电池材料，因为它具有丰富、低成本、高稳定性和成熟的制造工艺。然而目前市场上常见的硅基pv电池，其能量转化效率最高约为20％左右，这意味着约80％左右的太阳能将以热能的形式耗散掉，这些热使得光伏板的温度升高，不仅降低了太阳能电池的发电效率，又加速了相关组件的老化。

3、为了进一步利用太阳光产生的光热能量，并且为太阳能电池板降温增效，一些相关技术解决方案侧重于光伏-光热联合系统的开发。光热将通过空气、金属、液体等导热介质被收集起来，用于建筑物的供暖等用途。这类技术虽然在一定程度解决了光伏板散热的问题，但其对光热的利用是非常有限的，尤其在炎炎夏日，对建筑物进行供暖反而会增加室内空调降温所产生的能耗。

4、另一类技术路径，通过将光伏板叠加半导体热电片的方式，将光热导致的材料两端温差，通过塞贝克效应转化为电势差，进而将热能转化为电能，二次收割太阳能。塞贝克效应产生的温差电动势为,

5、vte＝s(th-tc)

6、其中s为材料的塞贝克系数th,tc分别为热电材料高温端和低温端的温度。因此材料两端的温差越大，其输出的电压越大。对于某一特定热电材料，其能量转化效率可表示为，

7、

8、其中zt为表征材料热电性能的优值，由材料自身的塞贝克系数s,电导率σ，热导率κ以及材料平均温度t共同决定，

9、

10、对于一个热电材料组件(如帕尔帖片)，其在特定温度区间下的zt往往是确定的，因此，为了获得更高的能量转化效率，其需要更大的温差th-tc。在与光伏板结合的场景下，光伏板的温度即可看作热电组件热端的温度th,这一项受到自然光照，以及工作环境的影响，往往是无法有效调控的。因此，降低冷端的温度tc便是提能量转化效率的有效解决途径。

11、在热电层的冷端增加金属散热片是目前这类系统的一种常见温控方式，然而，被动的热扩散式散热往往很难获得较为理想的温控效果，在常见的需要散热的设备(例如芯片)中风冷式散热以及水冷式散热，是提高散热效果的较优解决方案。

12、本实用新型提供了一种光伏-热电-水冷，三层式耦合发电系统，首先最外层的光伏材料对太阳光进行第一轮收割发电，其所产生的光热则首先通过第二层热电材料进行二次收割发电，最终的余热则由最下层的水冷系统负责移除。这样的太阳能发电模首先极大的利用了太阳能产生的热量，其次又有可靠的水冷降温来调控光伏材料以及热电材料的工作温度，从而进一步提高二者的能量转化效率。因此该模块能够极大的提高单位面积太阳能电池板的功率输出。

技术实现思路

1、本实用新型是针对光伏电池系统产生的废热对光能利用效率，以及光伏板自身的能量转化效率的影响问题，提出了一种光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统。实现从太阳能到电能的更高效转化。

2、一种光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统，包括：光伏模块，热电模块和水冷模块。

3、光伏模块包括钢化玻璃，eva胶膜，光伏电池层。热电模块包括导热硅脂，热端陶瓷片，热电偶，冷端陶瓷片。水冷模块包括铜质水冷散热片，冷却液管道。

4、钢化玻璃与光伏电池层之间通过eva胶膜相连接；热端陶瓷片/冷端陶瓷片与光伏电池层/水冷散热片之间通过一层导热硅脂相贴合；热端陶瓷片的温度是由受到阳光照射后的光伏电池层通过导热硅脂传递；

5、光伏模块和热电模块发出的光电流和热电流，将分别独立的接入mppt控制器，并接入储能系统，以及相关逆变器组件。

6、光伏模块和热电模块发出的光电流和热电流，将分别独立的接入mppt控制器，并接入储能系统，以及相关逆变器组件。

7、所述光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统，其热端陶瓷片和冷端陶瓷片利用太阳光照射形成的温度差从而产生电能。

8、所述光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统，其热端陶瓷片的温度是由受到阳光照射后的光伏电池层通过导热硅脂传递。

9、所述光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统，冷端陶瓷片的温度是由冷却液降温。其技术方案为光伏，热电，水冷模块的依次堆叠。首先位于最上层的光伏模块实现对入射太阳光的一阶段“光-电”转化，未能实现电能转化的部分能量，将以热能的形式，由与光伏模块背板紧密相连的热电模块进行二阶段“热-电”转化。由光伏模块和热电模块发出的光电流和热电流，将分别独立的接入mppt控制器，并接入储能系统，以及相关逆变器组件。水冷模块将与热电模块的冷端直接相连，对整个系统进行散热控温。

10、本发明的技术效果和优点：实现太阳能的光-电，热-电高效转化，优化了散热系统，提高了整体的能量转化效率。在上述光伏，热电，水冷三层堆叠式技术方案中，首先热电模块将光伏模块富集的热能进行了有效利用，产生了额外的电能，提高了整体系统的发电效率。其次水冷模块对整个系统进行了有效散热控温，同时提高了光伏以及热电模块的能量转化效率，提高了单位面积发电系统整体的发电功率。在一些空间有限的场所，例如屋顶，停车场，建筑外墙等，相比于传统的光伏电池，该系统可以有效提高单位面积的发电量。产生的电力不仅可以应用于室内的空调，照明等用电设备，也可以将多出的电力并网上传，获得额外的经济利益。

技术特征：

1.一种光伏-热电-水冷三层式耦合发电系统，其特征在于，包括：光伏模块，热电模块和水冷模块；

技术总结
本技术涉及一种光伏‑热电‑水冷三层式耦合发电系统，包括：光伏模块，热电模块和水冷模块；光伏模块，包括钢化玻璃，EVA胶膜，光伏电池层；热电模块，包括导热硅脂，热端陶瓷片，热电偶，冷端陶瓷片；水冷模块，包括铜质水冷散热片，冷却液管道；钢化玻璃与光伏电池层之间通过EVA胶膜相连接；热端陶瓷片/冷端陶瓷片与光伏电池层/水冷散热片之间通过一层导热硅脂相贴合；热端陶瓷片的温度是由受到阳光照射后的光伏电池层通过导热硅脂传递；该系统能够更高效的利用太阳光能量。其单位面积所能输出的功率将高于仅依靠光伏板所产生的功率，节省占地面积。从而在诸多分布式应用场景，拥有极大的潜在应用价值。

技术研发人员：何明恺,王亚庆
受保护的技术使用者：香港中文大学
技术研发日：20231026
技术公布日：2025/2/17