随着全球工业化和人口增长，能源需求急剧上升，对化石燃料的依赖加剧了资源枯竭和环境问题^[1-2]。为应对这些挑战，探索可持续且环保的替代能源迫在眉睫。太阳能因其广泛可用性、无限供应潜力和极小的环境影响，成为解决能源危机的关键候选^[3-4]。利用光伏效应，太阳能可转化为电能，然而，光伏装置（photovoltaic，PV）并不能100%地将接收到的太阳辐射转化为电能，未被转化的能量大多以热的形式散发，余热的散失会造成一定的资源浪费^[5-6]。同时，在运行过程中，温度过高易引发光伏板元器件热特性退化及热应力导致的性能衰减等现象，进而造成输出功率明显下滑^[7-8]。

许多研究集中在回收余热或者利用不同的冷却技术来提高光伏板的输出功率。温差发电器（thermoelectric generator，TEG）是一种利用塞贝克效应将温差转换成电能的器件^[9-10]，TEG作为散热器连接到光伏的背面，以利用光伏的废热，将热量直接转化为电能，从而产生额外的电力，提高其效率。Lin等^[11]提出建立PV-TEG 混合系统模型。实验表明，与单个光伏组件相比，混合动力系统的最大输出功率和效率可以提高约27%。此外，Dallan等^[12]通过实验研究了 PV-TE系统的可行性。实验结果表明，在固定热输入条件下，PV-TE系统的输出功率与无 TE 组件时光伏组件的运行性能相比，提高了39%。对于上述工作，PV-TE系统在实验室环境下进行测试或模拟，系统的工作温度保持在恒定值。然而，太阳辐照度随着时间的推移而变化，系统的温度随着入射太阳辐照度的变化而波动，对整个系统的效率产生重大影响。Cui等^[13]将相变材料（phase change material，PCM）引入 PV-TE 系统，以构建一种新型的 PV-PCM-TE 混合系统。应用 PCM减轻 PV 电池和 TE 模块的温度波动，并保持该混合系统在固定的条件下运行。同时，PCM具有较高的潜热，当PCM达到相变温度时，会在保持恒定温度的情况下吸收大量的热量。因此，PCM常用于被动式蓄热控温，非常适合光伏系统的散热。然而，夏季温度过高情况下，仅靠被动制冷无法满足光伏板温度过高的情况。传统的主动冷却方式有风冷或水冷^[14-15]。水冷系统由于其重量和对水资源的依赖，在偏远地区或沙漠等水稀缺的地方并不实用，且会增加维护负担和运营成本。因此，在这些情况下，迫切需要寻找更轻便、且低维护成本的冷却解决方案。众多的研究者开始关注热电制冷技术。Dimri等^[16]提出在光伏组件上集成热电冷却器（thermoelectric cooler，TEC），通过降低PV背板温度，提升光伏组件的能量转换效率。结果表明，该系统的整体效率提升了4.46%。Wang等^[17]提出一种具有智能热管理的光伏−热电混合系统，以提高光伏电池的转换效率。实验结果表明，所提混合光伏−热电系统将光伏板的温度降低6 K的同时实现转换效率高达27.8%。尽管上述研究对光伏板的温度实现了有效控制，但不能实现全天候的自供能。传统光伏系统由于对太阳辐照度的依赖，在夜间无光照条件下无法实现电能输出。相比之下，TEG通过温差即可实现电能输出，具备全天候自供能潜力，成为PV系统中重要的能量回收机制。为实现全天候自供能，研究者探索辐射冷却（radiative cooling，RC）技术以优化TEG性能。Mu等^[18]等提出一种基于微/纳米辐射冷却器的超薄TEG器件。实验结果表明，RC-TE 器件的最大输出电压为 0.5 mV，实现0.18 mV的24 h平均电压输出。Ji等^[19]提出辐射冷却驱动热电发电机系统。实验结果表明，TEG 冷端比环境温度低 2.7～4.2 K，TEG 冷热端的温差为 2.3～3.2 K，零点的温差可达2.5 K，相当于 87 mV 的开路电压。尽管利用辐射冷却技术可实现全天候电能输出，但其发电量有限，并且当前关于温度管理与能量回收相结合的综合系统研究仍有不足，在实现光伏板的有效降温与全天候自供能的双重目标存在局限性。

本文提出集成PV和TE的热管理能量回收系统，设计了智能切换主动制冷和被动制冷的光伏冷却策略。除此之外，采用了相变储能与辐射冷却技术，以最大化温差驱动TEG，构建了PV和TEG的互补供电结构，实现全天候的自供能发电。

1 系统设计方案 1.1 系统模型设计

为应对光伏板在工作过程中因温度过高引起发电效率降低，以及废热未能有效利用的问题，提出了一种集成PV和TE的系统物理模型，如图1所示。该系统设计了光伏背板的双模式冷却策略，集成热电器件与相变材料既实现对光伏背板的主动式热电制冷，又利用相变材料实现被动式潜热蓄冷调控。同时采用模糊PID控制策略实时监控和精确调节光伏板的温度，确保其在最佳工作温度范围，避免高温引发的效率损失。针对PCM吸收的PV废热，构建了集成RC、TEG和 PCM的结构。以PCM为桥梁，将PV的废热定向传递到TEG热端，RC通过与外太空交换热量，冷却TEG的冷端，进而形成主动释热和被动制冷的发电组件，实现能源的循环利用。

1.2 可编程热管理设计

光伏电池的输出性能主要取决于辐照度以及当前的工作温度。为了抑制光伏电池因高温产生的影响，设计了主动和被动双模式协同的光伏冷却策略，旨在实现能量回收系统的高效温度管理。在该系统中，如图2所示，当光伏板温度过高时，模糊PID控制器通过计算温度偏差与误差变化率，并基于模糊规则推理及解模糊化处理，动态调整PID参数，将得到的PID输出转化为具有适当占空比的PWM波，精准控制TEC的电流，实现PV的有效降温。该能量回收系统的流程图如图3所示。在白天，根据PV背板的温度，可编程逻辑系统通过继电器动态选择TE的工作模式（制冷、能量收集）。当温度高于温控点T₀时，TE切换为TEC模式，为PV主动制冷；当温度低于温控点T₀时，TE切换为TEG模式，同时PCM为PV被动蓄热制冷，使PV保持在高功率工作范围。PCM将吸收的PV废热有序释放至TEG热端，提升TEG热端温度。RC通过大气窗口与外太空间的辐射热交换来降低TEG冷端温度。这时PCM存储的潜热与辐射冷却系统的低温散热共同发挥作用，持续增大TEG两侧温差，从而提升TEG整体发电量。夜间初始时，PCM释放潜热为TEG热端供能，持续增大TEG两端的温差。当潜热释放完全后，TEG的热驱发电源主要依靠RC。该系统循环往复，由此建立了日间和夜间可循环切换的热冷温差发电模式，实现PV与TEG互补的全天候能量采集，有效增强发电能力。

2 理论模型 2.1 光伏电池模型

光伏电池将接收到的太阳辐射能量转化为电能，其发电功率主要取决于入射太阳辐照度、电池的光电转换效率和电池面积^[20]。太阳能电池的发电功率为

$ {P}_{\mathrm{elec}}={G}_{\mathrm{sun}}\cdot {A}_{\mathrm{PV}}\cdot {\eta }_{\mathrm{PV}} $

(1)

式中：G_sun是太阳辐照度；A_PV为太阳能电池的有效面积；η_PV是太阳能电池的光电转换效率，通常在10%到20%之间，可表示为

$ {\eta }_{\mathrm{PV}}\text={\eta }_{\mathrm{ref}}[1-{\beta }_{\mathrm{ref}}({T}_{\mathrm{PV}}-{T}_{\mathrm{ref}})] $

(2)

式中：T_PV为光伏电池的温度；β_ref为太阳能电池的温度系数；η_ref为参考温度下光伏电池板的转换效率；T_ref = 298.15 K。由式（2）可知，光伏电池的转换效率不仅受材料性质的影响，还与温度成反比。

2.2 PCM模型

在PCM系统中，热传导是主要的传热方式^[21]。当材料达到相变温度时，会吸收和释放大量的热量Q_PCM，热量可表示为

$ {Q}_{\mathrm{PCM}}=H\cdot {L}_{f} $

(3)

式中：H是总容积焓，是PCM的显热和潜热的总和；L_f是PCM的融化指数。PCM的总体积焓H与温度的关系为

$ H(T)=\int\nolimits_{{T}_{\rm{CP}}}^{T}{\rho }_{\rm{PCM}}{C}_{\rm{PCM}}{\rm{d}}{T}_{\rm{PCM}}+{\rho }_{\rm{PCM}}{L}_{f}\lambda $

(4)

式中：C_PCM是PCM的比热容；ρ_PCM为PCM的密度。积分中第一部分为PCM的显热，第二部分为潜热，潜热与融化指数L_f有关

$ {L}_{f}=\begin{cases} 0\quad{{T}}_{\text{PCM}} {{＜}}{T}_{\text{CP}}\\ 1\quad{{T}}_{\text{PCM}} {{＞}} {T}_{\mathrm{CP}} \end{cases} $

(5)

PCM为固态时，L_f = 0，仅有显热；PCM为液态时，L_f = 1，仅有潜热；PCM处于糊状区时，0 ＜ L_f ＜ 1，是部分潜热和显热的总和。

2.3 TE模型

热电器件主要可以分为两大类：热电发电器件和热电制冷器件。它们基于不同的热电效应工作^[22]。热电发电器件利用塞贝克效应，当两种不同金属或半导体材料连接形成闭合回路，并且两个结点之间存在温度差ΔT时，就会在回路中产生电动势V_ab。当作用到内阻为R，负载电阻为R₁的发电器时，输出功率为P₀，P₀可表示为

$ {P}_{0}=\frac{S_{\mathrm{ab}}^{2}\Delta {T}^{2}{R}_{1}}{{R}_{1}+R} $

(6)

式中，S_ab为两种导体材料的相对塞贝克系数。

热电制冷器件是基于珀尔帖效应，当电流通过由两种不同材料组成的结点时，会在结点处产生吸热或放热的现象。通过控制电流的方向和大小，可以实现精确的温度控制。珀尔帖热Q_P是指当电流I流经结点时吸收或释放的热量，它与电流和珀尔帖系数Π相关，可表示为

$ Q_P={\varPi}\cdot I $

(7)

式中，珀尔帖系数Π是电流方向的相对珀尔帖系数。

2.4 RC模型

被动辐射冷却技术可以将波长范围在0.3～2.5 μm的太阳光高反射回去，同时利用波长为8～13 μm的大气透明窗口将物体表面产生的热量传输到外太空中的冷空间，实现在无需额外能量输入的情况下使物体表面温度低于环境温度的冷却效果^[23]。当RC与外太空进行热交换时，所产生的总功率 P_rad表示为

$ \begin{split} {P}_{\mathrm{rad}}=&\;\int\nolimits_{0}^{2\text{π} }\mathrm{d}\omega \int\nolimits_{0}^{\tfrac{\text{π} }{2}}\int\nolimits_{0}^{\propto }\sin \theta \cos \theta \\& I_{\mathrm{BB}}({T}_{RC},\lambda )\alpha (\lambda ,\theta ,\omega )\mathrm{d}\theta \mathrm{d}\lambda \end{split} $

(8)

式中：λ、ω、θ分别为波长、立体角和天顶角；α（λ, ω, θ）和 T_RC 分别是RC的发射率和温度。

被动辐射冷却器在工作时会产生一定的热量损失，大气中的气体吸收辐射能量也会造成一定的损失，损失的功率记作P_atm。太阳照射RC，会加热辐射冷却器表面，抵消掉一部分冷却效果，该部分损失的功率被称为P_sun。同时由RC与外界环境之间的热量交换也会产生能量损失，用P_conver表示。相关的损失方程为

$ \begin{split} {P}_{\mathrm{atm}}=&\;\int\nolimits_{0}^{2\text{π} }\mathrm{d}\omega \int\nolimits_{0}^{\tfrac{\text{π} }{2}}\int\nolimits_{0}^{\propto }\sin \theta \cos \theta \\& I_{\mathrm{BB}}({T}_{\mathrm{RC}},\lambda )\alpha (\lambda ,\theta ,\omega ){\varepsilon }_{\mathrm{atm}}(\lambda ,\theta )\mathrm{d}\theta \mathrm{d}\lambda \end{split} $

(9)

$ {P}_{\rm{sun}}={A}_{\rm{RC}}\int\nolimits_{0}^{\mathrm{\infty }}\varepsilon (\lambda ,\theta ){I}_{\rm{sun}}(\lambda )\rm{d}\lambda $

(10)

$ P_{_{\mathrm{conver}}}=h_{\mathrm{RC}}A_{\mathrm{RC}}(T\mathrm{_{atm}}-T_{\mathrm{RC}}) $

(11)

式中：A_RC 为RC的面积；I_sun（λ）为到达RC表面的太阳辐照度；T_atm为环境温度；ε_atm（λ, θ）为大气发射率；h_RC为带PE风罩的辐射冷却器的对流传热系数。

最终得到被动辐射冷却器的净输出功率P_nop为

$ P_{\mathrm{nop}}=P_{\mathrm{rad}}-P_{\mathrm{atm}}-P_{\mathrm{sun}}-P_{\mathrm{conver}} $

(12)

3 结果与讨论 3.1 实验配置

为了验证理论建模的正确性，实验搭建了如图4所示的测试平台。该系统由辐射冷却器、温差发电器、相变材料、热电制冷器、光伏板和反射镜组成。其中，辐射冷却器由铝片和辐射冷却薄膜组成，该薄膜采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）和二氧化锆（ZrO₂）按10:1比例充分混合后浇铸而成，厚度控制在10 μm。TEG选用的是型号为SP1848−27145，按3×3阵列布局，并通过导热硅脂分别与辐射冷却器和相变组件连接。相变材料采用相变温度为310 K的石蜡，封装于带有散热翅片的紫铜容器中，以增强热交换。TEC选用型号为TEC1−12704的器件，置于相变材料与光伏组件之间，实现精准控温。高反射镜选用的是反射率为95%的全波段反射镜，摆放在光伏板下方，用于将光反射到光伏板上。实验装置的相关参数如表1所示。热电控制电路通过集成 H 桥与继电器实现TE模式的智能切换。热电能量收集电路则基于升压芯片 LTC3108 与变压器 752S 构建，以提升TEG 输出电压的稳定性。光伏能量采集电路采用升压芯片 LTC3119，将光伏组件输出的电能转换为稳定的 12 V 电压，在满足系统负载需求后，多余的能量以 12 V 的电压存储至锂电池中。

在实验设计中，温度和电学参数的精确测量对于数据的准确性至关重要。本研究采用温度范围为73 ~1635 K、测量精度为±（0.15%rdg + 1 K）的HT−9815 热电偶温度计进行温度测量，其三个独立通道分别用于采集TEG冷端、热端的温度以及环境温度。实验选用高精度、多功能的VC890D数字万用表，采集TEG 的输出电压信号。太阳辐照度的测量则由 Uprtek MK350 光谱仪完成。PV背板的温度则通过集成式 LM75A 温度传感器芯片实时监测，确保对 PV 温度的精准把控。此外，电流和功率的变化由高精度 INA226 电能监测芯片记录。

3.2 PV热分布与功率

为了验证所提系统架构的双模式冷却策略，实验选择中国上海夏季某天从早上6：00到次日早上6：00（共计24 h）来测量PV背板的热学和电学特性。图5（a）显示了PV背板温度以及功率的变化。可以看出，随着太阳辐射的持续照射，PV背板的温度持续上升。当温度高于318 K时，TE切换为TEC模式，为PV背板主动制冷，降低温度。图5（b）表明，当高于温控点时，TEC 全功率冷却，当PV温度逐渐下降时，TEC的输入功率逐渐下降；当达到目标温度时，TEC结束制冷。该过程可在240 s内将背板温度由318 K主动降温到298 K。当温度低于318 K时，制冷方式为PCM相变储热被动制冷，吸收PV运行过程中产生的多余热量，降低背板温度并减小温度波动，同时无需额外能耗。TEC主动制冷精准控温以及PCM的被动制冷相变储能，两个模式相辅相成，缺一不可，既能确保PV的温度稳定维持在温控点以下，保持PV的满功率输出，又能将PV降温过程中的能耗降至最低。

3.3 TEG热分布与功率密度

PCM在达到相变温度时会大量吸收PV的废热，当温度低于相变温度时，PCM开始释放潜热，继续为TEG提供热量。如图6（a）所示，在PCM主动释热和RC被动制冷的温差驱动下，TEG两端的最大温差高达5.5 K。如图6（b）所示，当选用与TEG内阻相同的电阻负载时，测得TEG的最大功率密度达到134.68 mW/m²。在傍晚无光照条件下，PCM发生相变释放潜热，持续为TEG传输热量，TEG的功率密度维持在33.67 mW/m²。在夜间，TEG仍然能输出7.1 mW/m²左右的电量，此时RC起主要散热作用，持续的增大TEG两端温差。TE在PV温度未达到318 K时，该模式切换为TEG模式，输出最大功率密度为40.33 mW/m²。TE模块的集成既利用了PV产生的废热，又利用了环境资源，实现全天候的自供电。

3.4 PV性能比较

为评估所提出的系统相较于传统无冷却装置的PV组件在性能上的优越性，进行了对照实验。如图7（a）所示，在10:00～18:00之间，有冷却系统的PV温度始终低于无冷却系统的PV温度，最高温差达到7.4 K。在10:30之前，18:00之后，PV受温度影响较小，两组PV组件的表现差异不明显，如图7（b）所示。随着温度的持续上升，无冷却系统的PV表现出显著的输出功率衰减现象。相比之下，采用本研究所提出冷却系统的PV组件，其输出功率稳定性得到了有效保证，相较于无冷却系统PV组件功率最高提升13.4%。该冷却系统成功避免了高温条件下PV组件输出功率下降的问题。

3.5 TEG性能比较

为验证所提系统TEG的发电功率，将所提PV-TE系统与传统的RC-TEG系统的性能进行对照比较。如图8（a）所示，所提系统的最高温差达到5.5 K，而RC-TEG的最高温差仅为1.8 K。并且该系统TEG的功率密度远远高于只有RC作用的TEG系统，如图8（b）所示。具体而言，在日照充足的白天时段，由于光热效应的增强，该PV-TE系统实现了高达129 mW/m²的功率密度的提升。而在日落之后无光照的情况下，得益于相变材料释放的潜热，所提系统的TEG功率密度相比RC-TEG系统提高了约140%。此外，即使在夜间，所提系统的TEG的功率密度也提升了40%，这归因于RC的持续工作。

4 结　论

本文提出并实验验证了一种集成光伏和热电发生器于一体的能量回收系统。设计了基于可编程逻辑系统的光伏冷却模式的智能切换，同时应用模糊PID算法动态调整光伏板的温度在目标温度以下，从而有效减少功率损耗。此外，该系统还利用了相变材料储能及辐射冷却技术，增大TEG两端温差，实现全天候的电力输出。实验验证当PV温度高于318 K时，在可编程逻辑系统的调控下实现在240 s内温度由318 K主动降温到298 K，使PV的温度始终控制在 318 K以下。相比于无冷却模式的PV系统，所提系统PV的温度降低7.4 K，输出功率最高提高13.4%。所提系统中TEG的最大温差高达5.5 K，输出功率密度达到134.68 mW/m²。在傍晚无光照时，TEG的功率密度维持在33.67 mW/m²，即使在夜间，TEG仍然能输出7.1 mW/m²左右的电量。该工作为自供能电子设备的实现提供了新的思路。