热电制冷器对太阳能电池输出电压的影响
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摘要：太阳能电池（photovoltaic，Pv）长时间暴露在阳光下会使其表面温度迅速升高，从而降低其输出电压。为降低太阳能电池板的表面温度，对太阳能电池板背面装载的热电制冷器（mermoelectric Cooler，TEc）进行了研究，测试其在不同室温下对太阳能电池板输出性能的影响。研究表明：当不含TEc且环境温度分别为26℃、29℃、33℃时，太阳能电池板的实验最大输出电压分别是2.32 v、2.25 v、2.20 v;加TEC之后，在上述环境温度下太阳能电池板的最大输出电压分别为2.54 v、2.59 v、2.47 v，输出电压分别增加9.4%、15.1%、12.3%。因此在太阳能电池板中加载热电制冷器既可以增大输出电压，又可以避免因温度升高而降低太阳能电池板的寿命。
关键词：太阳能电池;热电制冷器;环境温度;输出电压
中图分类号：TK01+9 文献标志码：A
引言
随着科技的进步，太阳能电池已广泛应用于人们的生活中。当太阳能电池表面温度升高时，会影响太阳能电池的性能，降低太阳能电池的效率，因此受到人们的广泛关注。采用不同的组装结构，将热电制冷器（thermoelectric cooler，TEC）放置在不传导的太阳能电池背面，结果显示，完全放置TEC的结构比部分放置TEC的结构效率增加了4.46%～6.23%。Khaled等采用不同的温控措施，研究了太阳能电池光电特性及能量转换率。Benghanem等采用两块相同大小的太阳能电池板进行实验，其中一块加载TEC，实验分析得到，加载TEC的太阳能电池板输出性能更好且更具经济性。
对于太阳能TEC，普通PV/TE（photovoltaic/thermoelectric）混合设备通常由一个PV模块，一个TEC和一个冷却系统组成，为了优化设备性能还可以添加或修改不同的组件。在已有的很多研究中都是将热电模块作为温差发电器使用，且大多数都是依靠仿真模拟其输出性能，缺乏实验数据。本文主要将TE模块作为制冷器来使用，通过实验验证温度等因素对电池板的影响，并与单独的一个太阳能电池板进行对比，最后通过实际测量获得输出电压与温度的关系。
1太阳能电池的工作原理
太阳能电池工作的关键在于基于光伏效应的半导体PN结。光伏效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次是形成电压过程。有了电压后，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。
图1（a）为太阳能电池的结构图，太阳能电池由P型和N型半导体组成，在P型和N型半导体之间形成耗尽区，上下分别有前接触点和后接触点，当光照射在太阳能电池板上时，就会产生电流。图1（b）为太阳能电池的等效电路图。
2热电制冷器的工作原理
热电制冷器由许多热电偶串联和并联连接而成。热电偶由P型和N型半导体材料组成。热电制冷器（TEC）是帕爾贴效应在半导体材料上的成功应用。半导体有N型半导体和P型半导体，N型半导体包含多余的电子，因此包含负温度电势，而P型半导体缺乏电子。将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区，该电荷区称为PN结。当PN结存在直流电时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端，即在节点处与外部环境交换能量，如图2所示。
3热电制冷器对太阳能电池板的影响测试系统
本实验采用40 mmx40mm的多晶硅太阳能电池以及40 mmx40 mmx3.4mm的热电制冷器（TEC）。图3给出了在没有TEC的情况下太阳能电池的测试系统，使用万用表测量太阳能电池的输出电压，将温度计的探头放置在太阳能电池的表面，测量其表面温度变化。图4给出了使用TEC作为散热器用于太阳能电池板降温的测试系统，TEC放置在太阳能电池板的背面，为了保证制冷效果不受外界影响，采用隔热泡沫将TEC隔离开来。同时在TEC底端外接风扇，及时将TEC热端产生的热量散发到空气中，抑制TEC因高温而无法正常工作的可能，形成良好的制冷效果。实验采用12 v的稳压电源给TEC器件及风扇供电，同样测量太阳能电池的输出电压，并用温度计测量太阳能电池表面温度的变化。
4结果与讨论
分别测量了两块太阳能电池板在用和不用热电制冷器时的输出电压随温度变化的特性曲线。实验结果如图5所示，（a）～（c）分别为不同环境温度下未加载TEC装置的太阳能电池输出电压随温度变化的实验数据图，（d）～（f）分别为不同环境温度下加载TEC装置后太阳能电池输出电压随温度变化的实验数据图。
由图5可以看出：未加载TEC时，随着环境温度及太阳辐射度的增强，太阳能电池板表面的温度逐渐升高，输出电压迅速下降，在环境温度为26℃、29℃、33℃时，太阳能电池板的最大输出电压分别是2.32 v、2.25 v、2.20 v;加载TEC之后，对应同样的3个环境温度，太阳能电池板的最大输出电压分别是2.54 v、2.59 v、2.47 v，此时的输出电压比未加载TEC时的输出电压分别增加了9.4%、15.1%、12-3%。因此在太阳能光伏系统中加入热电制冷器可以增大其输出电压，避免因温度升高而降低太阳能电池板的使用寿命。
本文实验是在露天环境下进行，隔热条件的不充分及其他实验操作的影响会对实验数据带来误差，后续的研究将采取相应措施降低这些因素的影响。
5结论
本文实验是在露天环境下进行，由于隔热条件的不充分及其他实验操作的影响会对实验数据带来误差，后续的研究将采取相应措施降低这些因素的影响。
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