热电模块集成光伏系统的热管理与能效提升：数学建模与仿真研究

为解决光伏(PV)系统因温度升高导致效率下降的问题，研究人员开展PV-TEG(热电发电机)和PV-TEC(热电冷却器)系统的建模与仿真研究。通过Seebeck效应和Peltier效应，PV-TEG系统在25-65°C温度范围内将效率提升0.98%-5.4%，功率最高达19.52W；PV-TEC系统则通过主动控温实现3.7%效率提升。该研究为光伏系统热管理提供了创新解决方案。

　　

在全球碳中和目标推动下，太阳能光伏(PV)技术作为清洁能源的核心载体，却面临一个"热矛盾"——当阳光转化为电能时，约80%的能量以废热形式耗散，导致电池温度每上升1°C，效率下降0.3%-0.5%。这种热致衰减现象严重制约着光伏系统的实际输出，在炎热的沙漠地区或建筑一体化场景中尤为突出。传统散热方案如风冷、液冷虽有一定效果，但存在能耗高、结构复杂等局限。如何将"废热变废为宝"，同时实现精准温控，成为可再生能源领域亟待突破的瓶颈。

研究人员通过创新性地耦合热电模块与光伏系统，构建了两种协同机制：一方面利用热电发电机(Thermoelectric Generator, TEG)的Seebeck效应（温差发电效应）将废热转化为电能；另一方面通过热电冷却器(Thermoelectric Cooler, TEC)的Peltier效应（电流致冷效应）主动调节PV温度。这种"一石二鸟"的设计不仅解决了散热难题，更实现了能量梯级利用。

研究采用数学建模与MATLAB仿真相结合的方法，建立了包含Shockley二极管方程、热流方程、Seebeck系数(α)计算等在内的多物理场耦合模型。通过控制变量法分析25-65°C温度范围内系统的电-热特性，并采用根和平方(RSS)方法进行不确定性分析，确保结果误差小于±2.912W。

模型设计方面，研究团队构建了包含光伏电池本征参数(I_ph, I_s, R_s等)、TEG的zT优值(热电品质因数)、TEC的π系数(珀耳帖系数)的完整方程组。特别值得注意的是，模型引入模块温度估算公式T_mod=0.943T_amb+0.028S-1.521W_s+4.3，精准量化了环境温度、辐照度和风速的综合影响。

PV-TEG系统在65°C高温下展现出显著优势：单个TEG模块功率达19.52W，系统总效率提升至17.94%，较无冷却系统提高5.4%。这得益于Bi₂Te₃基热电材料在高温差(ΔT=67.79°C)下的优异性能，其zT值达0.7，通过方程Q_H=K_TEGA_TEG(T_h-T_c)/th_TEG实现高效热回收。

PV-TEC系统则通过精确电流调控实现温控，当I_opt=αT_C/R时获得最佳冷却效果。在6A工作电流下，系统维持15.92%的效率，较无冷却系统提升3.7%。但需注意，Peltier效应需要消耗部分电能，其冷却功率遵循Q_c=αIT_c-0.5I²R-λ(T_h-T_c)的二次函数关系。

研究通过对比两种系统发现：PV-TEG在能效提升方面更具优势（5.4% vs 3.7%），尤其适合高温环境；而PV-TEC在温度稳定性方面表现更佳，可将电池温度控制在环境温度附近。这种差异源于二者不同的工作机理——TEG是被动式能量回收装置，而TEC是主动式温控设备。

该研究的创新价值在于：首次通过系统级建模量化了热电-光伏耦合系统的性能边界，为不同气候区的技术选型提供理论依据。特别是提出的分段式TEG设计（含常规型、叠层型和圆柱型），可根据热源温度灵活组合，在光伏-热电联产、建筑节能等领域具有广阔应用前景。未来研究可进一步探索新型热电材料如SnSe(zT>2.5)与钙钛矿太阳能电池的集成方案，推动可再生能源系统向"零废热"目标迈进。