專利名稱：一種混合發電系統及其使用方法
技術領域：
本發明屬于太陽能發電領域，特別地涉及一種混合發電系統及其使用方法。
背景技術：
合理開發和利用太陽能，發展太陽能產業，是人類解決能源危機和環境污染的重大課題。圖1為太陽輻射的能量分布圖，從圖中可以看出，在太陽輻射中，大體包括紫外區、 可見光區和紅外區。目前，現有太陽能發電系統只能將紫外和可見光區的光能轉換為電能， 而占太陽輻射總能量43%的紅外光則以熱能形式耗散，從而導致太陽能利用率低，制約了太陽能發電效率的進一步提高。在申請號為200610114707的專利申請“基于太陽能光伏效應和熱電效應的混合能源發電系統”中，提出一種由太陽能光伏電池和溫差發電模塊組成的混合發電系統。眾所周知，溫差發電模塊是利用賽貝克效應把熱能轉換為電能的裝置，其工作原理是將兩種不同類型的熱電轉換材料的一端結合并將其置于高溫狀態，而另一端處于開路并給以低溫， 由于高溫端的熱激發作用較強，空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差。 因此，對于溫差發電模塊來說，其輸出功率與冷熱端溫差正相關，當冷端溫度一定時，熱端的溫度越高，系統輸出功率越大。然而，對于硅系光伏電池來說，工作溫度越高，其光電轉換效率卻越低(通常25°C下其轉換效率最高)，因此溫差發電模塊的這種工作特點與硅系光伏電池的工作要求相矛盾，使該發電系統并不能充分利用太陽能資源，光電轉換效率并不
王困相
發明內容
因此，本發明的目的在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種可充分利用太陽能的混合發電系統。本發明的目的是通過以下技術方案實現的根據本發明的一個方面，提供一種混合發電系統，包括半導體溫差發電模塊和散熱模塊，其中還包括敏化太陽能電池，其中所述半導體溫差發電模塊的熱端與所述敏化太陽能電池的背光面基底相粘合，半導體溫差發電模塊的冷端與所述散熱模塊相粘合。在上述技術方案中，當所述背光面基底為導電的時，在所述半導體溫差發電模塊的熱端與所述背光面之間設有絕緣導熱層。在上述技術方案中，所述絕緣導熱層包括氧化鋁陶瓷片、云母片或硅膠片。在上述技術方案中，所述半導體溫差發電模塊的冷端為氧化鋁陶瓷片，其與所述散熱模塊相粘合。在上述技術方案中，所述粘合為采用導熱粘合劑粘合在一起。在上述技術方案中，所述導熱粘合劑包括導熱硅膠、散熱膏、環氧樹脂導熱膠或導熱壓敏膠粘劑。在上述技術方案中，所述散熱模塊設有風冷式或水冷式散熱器。
在上述技術方案中，所述敏化太陽能電池包括光陽極和對電極，所述光陽極和對電極的基底包括金屬材料、透明導電的玻璃或塑料。根據本發明的另一個方面，提供一種上述的混合發電系統的使用方法，其中，將所述敏化太陽能電池和半導體溫差發電模塊以串聯方式連接。在上述方法中，所述敏化電池模塊單獨工作輸出功率最大時的電流值與溫差發電模塊單獨工作輸出功率最大時的電流值相等。與現有技術相比，本發明的優點在于1、提高了太陽能的利用率。2、在串聯供電時，可獲得較高的輸出電壓和輸出功率。
以下參照附圖對本發明實施例作進一步說明，其中圖1為太陽輻射的能量分布圖；圖加為本發明實施例的混合發電系統的結構示意圖；圖2b為本發明實施例的混合發電系統的敏化太陽能電池的結構示意圖；圖3a為本發明實施例的混合發電系統處于獨立供電時的電路示意圖；圖北為本發明實施例的混合發電系統處于串聯供電時的電路示意圖；圖4為本發明實施例的混合發電系統的電流電壓輸出特性曲線。
具體實施例方式[實施例1]圖加為本發明實施例的混合發電系統，該系統包括敏化太陽能電池100、半導體溫差發電模塊200及散熱模塊300。圖2b為敏化太陽能電池的結構示意圖。如圖2b所示， 敏化太陽能電池100由光陽極、電解質和對電極組成，其中光陽極為制備在諸如鈦片或鈦箔的基底101上的多孔TiO2薄膜103，其表面附有釕染料作為敏化劑；對電極為覆在諸如透明導電玻璃或透明導電塑料的基底102上的諸如熱解鉬的催化層104 ；電解質105為準固體或固體電解質。如圖加所示，敏化太陽能電池100和半導體溫差發電模塊200的熱端之間設置有熱端絕緣導熱層400，該絕緣導熱層可以為氧化鋁陶瓷片、云母片或硅膠片，其上表面與敏化太陽能電池100的光陽極基底101的背面相粘合，下表面與半導體溫差發電模塊200的熱端相粘合，該熱端絕緣導熱層的作用是避免光陽極基底101和半導體溫差發電模塊200的熱端之間發生短路，同時保證了熱量的高效傳導。因此，當背光面基底，即本實施例中光陽極基底101所采用的材料為絕緣的時，則不需要該絕緣導熱層400。半導體溫差發電模塊200包括導流片201、N型半導體202和P型半導體203。該模塊200采用優值系數高的半導體材料(如Bi2Te3-Bi2Sh固溶體和Bi2Te3-Sb2I^3固溶體)，其熱端裸露、冷端為絕緣導熱性能優良的氧化鋁陶瓷片204。該氧化鋁陶瓷片204與散熱模塊300通過導熱粘合劑粘合。散熱模塊300可以加風扇進行風冷，或浸泡在水里進行水冷。在本實施例中，均采用導熱粘合劑進行粘合，所述導熱粘合劑的例子包括但不限于導熱硅膠、散熱膏、環氧樹脂導熱膠或導熱壓敏膠粘劑。本發明混合發電系統的工作原理是敏化太陽能電池吸收太陽光，其中紫外和可見光區的光能轉換為電能輸出，而紅外區的光能則轉換為熱量使電池溫度升高。升溫后的電池作為熱源，將熱量源源不斷的傳遞給溫差發電模塊的熱端，而溫差發電模塊的冷端則通過散熱模塊始終維持在恒定溫度。于是，溫差發電模塊P型、N型半導體之間形成溫度差， 實現溫差發電。在實際發電時，本發明的混合發電系統具有兩種使用方式，既可以將敏化太陽能電池和半導體溫差發電模塊分別單獨作為電源輸出功率，也可以將敏化太陽能電池和半導體溫差發電模塊串聯后作為電源輸出功率。以下將分別對這兩種情況作具體說明。如圖3a所示，為本發明的混合發電系統處于獨立供電時的電路示意圖。其中敏化太陽能電池100的正、負極接線端a和b連接到負載Cl上，半導體溫差發電模塊200的正、 負極接線端a’和b’連接到負載c2上，由此可以看出，通過讓敏化太陽能電池的兩個電極與半導體溫差發電模塊的兩個電極分別連接不同負載，實現向外界獨立供電。如圖北所示，為本發明的混合發電系統處于串聯供電時的電路示意圖。其中，敏化太陽能電池100的負極接線端b和半導體溫差發電模塊200的正極接線端a’相連接，敏化太陽能電池100的正極接線端a和半導體溫差發電模塊200的負極接線端b’連接到負載c3上，由此來實現二者的串聯供電。圖4為本發明的混合發電系統的電流電壓輸出特性曲線。圖中分別示出了將敏化太陽能電池及溫差發電模塊分別作為電源、以及將它們串聯作為電源的電流電壓輸出特性曲線。從圖中可以看出，單獨利用敏化太陽能電池發電時的最大輸出電壓為1460mV，最大輸出功率為40. 56mW，溫差發電模塊的最大輸出電壓為195mV，最大輸出功率為4. 88mff ；組裝成串聯供電的混合發電系統后，最大輸出電壓為1650mV，最大輸出功率可達45. 23mW，從而得到比單一器件更大的電壓及輸出功率。要使該混合發電系統達到這種最佳效果，通常應使敏化電池模塊單獨工作輸出功率最大時的電流值與溫差發電模塊單獨工作輸出功率最大時的電流值相等。[實施例2]在實施例2的混合發電系統中，染料敏化太陽能電池的光陽極基底為制備在透明導電玻璃或透明導電塑料上的多孔ZnO薄膜，其上的敏化劑為有機染料，對電極基底為覆在石墨類或金屬類導電材料上的聚吡絡，電解質為準固體或固體電解質。溫差發電模塊的熱端直接粘在敏化太陽能電池的對電極基底背面，溫差發電模塊的冷端與鋁制風冷式散熱器通過導熱硅膠緊密粘合在一起。該混合發電系統的使用方法與實施例1相同。[實施例3]在實施例3的混合發電系統中，染料敏化太陽能電池的光陽極和對電極基底相同，均為透明導電玻璃或透明導電塑料，光陽極為多孔TiO2薄膜，敏化劑為釕染料，電解質為液體或離子液體電解質，對電極為熱解鉬。溫差發電模塊的熱端直接粘在敏化太陽能電池的對電極基底背面，溫差發電模塊的冷端絕緣導熱板與鋁制風冷式散熱器通過導熱硅膠緊密粘合在一起。該混合發電系統的使用方法與實施例1相同。[實施例4]在實施例3的混合發電系統中，染料敏化太陽能電池的光陽極和對電極基底相同，均為透明導電玻璃，光陽極為T^2納米管陣列，敏化劑為cdk，電解質為含有S2_、S22_氧化還原電對的液體電解質，對電極為碳多孔膜。溫差發電模塊的熱端直接粘在敏化太陽能電池的對電極基底背面，溫差發電模塊的冷端絕緣導熱板與鋁制水冷式散熱器通過導熱硅膠緊密粘合在一起。該混合發電系統的使用方法與實施例1相同。在上述實施例中，背光面指的是敏化太陽能電池不受太陽光照射的那面，由于對電極和光陽極均可以作為受光面，因此可以理解，背光面包括對電極或光陽極兩種情況 (如上述實施例1、2中的情況)。對于本領域普通技術人員應該理解，上述實施例僅為示意性的，所述敏化太陽能電池中的對電極基底和光陽極基底的材料可以相同，也可以不同。制作在所述光陽極基底上的納米晶半導體薄膜的例子包括但不限于Ti02、Zn0、Sr^2等。所述敏化劑可包括有機和無機兩類，其中無機類敏化劑包括釕、鋨類的金屬多吡啶配合物、金屬卟啉、金屬酞菁和無機量子點等；有機敏化劑包括天然染料和合成染料。所述電解質從其導電機理方面可分為利用氧化還原電對的電解質、利用無機半導體體系的電解質、利用有機空穴傳輸材料的電解質和利用高分子體系的電解質等。所述對電極基底可以采用其他導電基底，并且所述催化層可以由諸如石墨、鉬或導電聚合物制成。本發明將敏化太陽能電池和半導體溫差發電模塊相結合，利用敏化太陽能電池的效率跟溫度的正相關性與溫差發電模塊的大溫差要求相一致的特點，使本發明的混合發電系統能充分利用太陽光全光譜發電，克服了敏化太陽能電池只能吸收紫外和可見光發電的缺陷，從而提高了太陽能的利用率。并且，敏化太陽能電池的電子、離子遷移率隨著溫度升高而增大，從而進一步提高了光電轉換效率。本發明既可以制作成體積小、易攜帶的小功率太陽能混合發電電源，也可以制作成大面積太陽能混合發電板，架設在車頂、房頂等，具有廣泛的應用前景。盡管參照上述的實施例已對本發明作出具體描述，但是對于本領域的普通技術人員來說，應該理解可以在不脫離本發明的精神以及范圍之內基于本發明公開的內容進行修改或改進，這些修改和改進都在本發明的精神以及范圍之內。
權利要求
1.一種混合發電系統，包括半導體溫差發電模塊和散熱模塊，其特征在于，還包括敏化太陽能電池，其中所述半導體溫差發電模塊的熱端與所述敏化太陽能電池的背光面基底相粘合，半導體溫差發電模塊的冷端與所述散熱模塊相粘合。
2.根據權利要求1所述的混合發電系統，其特征在于，當所述背光面基底為導電的時， 在所述半導體溫差發電模塊的熱端與所述背光面之間設有絕緣導熱層。
3.根據權利要求2所述的混合發電系統，其特征在于，所述絕緣導熱層包括氧化鋁陶瓷片、云母片或硅膠片。
4.根據權利要求1所述的混合發電系統，其特征在于，所述半導體溫差發電模塊的冷端為氧化鋁陶瓷片，其與所述散熱模塊相粘合。
5.根據權利要求1所述的混合發電系統，其特征在于，所述粘合為采用導熱粘合劑粘合在一起。
6.根據權利要求5所述的混合發電系統，其特征在于，所述導熱粘合劑包括導熱硅膠、 散熱膏、環氧樹脂導熱膠或導熱壓敏膠粘劑。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的混合發電系統，其特征在于，所述散熱模塊設有風冷式或水冷式散熱器。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的混合發電系統，其特征在于，所述敏化太陽能電池包括光陽極和對電極，所述光陽極和對電極的基底包括金屬材料、透明導電的玻璃或塑料。
9.一種權利要求1所述的混合發電系統的使用方法，其特征在于，將所述敏化太陽能電池和半導體溫差發電模塊以串聯方式連接。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述敏化電池模塊單獨工作輸出功率最大時的電流值與溫差發電模塊單獨工作輸出功率最大時的電流值相等。
全文摘要
本發明提供一種混合發電系統及其使用方法。該混合發電系統，包括半導體溫差發電模塊和散熱模塊，其中還包括敏化太陽能電池，所述半導體溫差發電模塊的熱端與所述敏化太陽能電池的背光面基底相粘合，半導體溫差發電模塊的冷端與所述散熱模塊相粘合。本發明將敏化太陽能電池和半導體溫差發電模塊相結合，利用敏化太陽能電池的效率跟溫度的正相關性與溫差發電模塊的大溫差要求相一致的特點，使本發明的混合發電系統能充分利用太陽光全光譜發電，從而提高了太陽能的利用率。
文檔編號H02N6/00GK102244487SQ20101017749
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者孟慶波, 李冬梅, 羅艷紅, 郭曉枝 申請人:中國科學院物理研究所