淺談聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

文 // 楊萬偉 程家墅 劉杰 蔡修青 中國十七冶集團

淺談聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

文 // 楊萬偉 程家墅 劉杰 蔡修青 中國十七冶集團

日益增長的能源消費，特別是煤炭、石油等化石燃料的大量使用，給環(huán)境和全球氣候帶來了巨大的影響。全世界資源緊缺和能源成本持續(xù)增長使眾多發(fā)達國家著眼于發(fā)展可再生能源，甚至將其提升到了關乎國家能源安全的戰(zhàn)略地位。

1 光伏熱電聯(lián)產(chǎn)背景

光伏發(fā)電作為一種應用廣泛的可再生能源利用方式，一直都是世界各國重點研究的方向。而現(xiàn)在國內(nèi)外主要的光伏發(fā)電組件還是單晶硅、多晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜電池，雖然這些技術發(fā)展較為成熟，系統(tǒng)的成本也比較低，但是它們的光電轉(zhuǎn)換效率提升的潛力不夠，單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率為19%，而第三代的多晶硅太陽能電池效率18%左右。因此，由高效的聚光光伏組件組成的聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)外研究的焦點。

聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有輸出電功率密度高，穩(wěn)定性好，可靠高效等特點。國內(nèi)相關的研究多集中在一些高等院校的實驗室，近兩年才有少量企業(yè)開發(fā)相關的裝置。光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)通過熱泵循環(huán)，穩(wěn)定了太陽能光熱轉(zhuǎn)換的輸出溫度，同時維持光伏板在較低的工作溫度下工作，提高了光電轉(zhuǎn)換效率。 廈門多科莫太陽能科技有限公司于2010年開發(fā)了PV/T相關的一些系統(tǒng)，采用的是反射鏡聚光的方式，聚光比較低，僅為5左右，光伏電池板與換熱裝置是疊層結(jié)構(gòu)，最高可提供50℃的熱水，整個系統(tǒng)的太陽能利用效率約45%，造價約20元/W。

2 光伏熱電聯(lián)產(chǎn)技術

光伏熱電聯(lián)產(chǎn)技術分為非聚光型和聚光型。非聚光型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的供熱密度通常是低于800W/m2，溫度不超過40℃，只能用于居民熱水供應或熱泵式空調(diào)。同時，為了保證供熱功率，換熱器的面積較大，成本相應較高。聚光型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由于高聚光比(可以達到500倍以上)的效果，熱流密度可以達到數(shù)百千瓦以上，適用范圍更加廣泛，發(fā)電和供熱效率也更高，但聚光型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術門檻和運行維護成本均高于非聚光型。

2.1 非聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展及應用

當太陽光照射到光伏電池板上時，只有能量大于其半導體材料禁帶寬度的部分光子能量可以轉(zhuǎn)化為電能，主要是在可見光及紫外波段附近的能量，此外的能量不僅不能轉(zhuǎn)化為電能，還會變?yōu)閺U熱造成光電轉(zhuǎn)化效率下降，尤其是紅外波段所引起的熱效應。針對這個問題，太陽能光伏/光熱綜合利用技術應運而生。太陽光直接入射光伏電池板，能量一部分轉(zhuǎn)化為電能；另一部分則轉(zhuǎn)化為電池板本身的熱能，設計熱能利用設備，安裝于電池板的背面，對這部分廢熱進行利用，不僅降低了光伏板的溫度，同時還提高了整個系統(tǒng)的太陽能利用效率。純光伏發(fā)電的熱電聯(lián)產(chǎn)原理比較簡單，即利用光伏電池受照射后的溫度升高來加熱熱水。目前，國外已有光伏熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的應用示范，大多是與建筑物結(jié)合使用，光伏電池板提供電能，其背面的換熱器為建筑物供熱。

圖1 聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)原理框圖

2.2 聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展及應用

聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)的技術研究起始于20世紀80年代后期，隨著研究技術的日益深入，近幾年也取得較大的進展。世界各國開展了很多相關的研究項目。澳大利亞國立大學可再生研究系統(tǒng)中心曾研制出了一種由具有37倍聚光比的槽式拋物面PV/T集熱器組成的太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能量的綜合利用效率可達69%。我國工程科學學院的陳則韶教授對太陽能聚光分頻利用熱電聯(lián)產(chǎn)的機理進行了研究，得出了太陽能光譜有效能函數(shù)以及太陽能聚光分頻利用熱電聯(lián)產(chǎn)的設計方案，對聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)技術的應用發(fā)揮一定作用。

3 聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是在聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎上加入了循環(huán)水泵、水管和水箱等部件，組成了新的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理見圖1。這種系統(tǒng)既能提供電能，又能提供熱能。具有高效率、可靠性、實用性、經(jīng)濟性和低噪音等特點。這個系統(tǒng)主要是通過自動追蹤器實時追蹤，實時地保持著聚光器的主光軸與太陽光的入射光線平行，聚光器將太陽光聚焦到能量轉(zhuǎn)換器上，在能量轉(zhuǎn)換器里，太陽能一部分轉(zhuǎn)化為電能，通過匯流柜可以為城鎮(zhèn)小區(qū)居民提供生活用電或者并網(wǎng)；一部分轉(zhuǎn)化成熱能，循環(huán)水泵將水箱里的冷水通過水管源源不斷經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換器形成熱水，存儲在水箱中，為城鎮(zhèn)小區(qū)居民提供生活用水。聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)這種應用還是比較廣泛的，當然，也可以集中起來運作可以將發(fā)出來的電能并入電網(wǎng)。

因此，聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要由自動追蹤器、聚光器、能量轉(zhuǎn)換器、水管、水箱、循環(huán)水泵和匯流柜等部分構(gòu)成（圖2）。自動追蹤器是西門子PLC或者單片機等核心器件構(gòu)成的，它通過天文算法實時精確的追蹤著太陽；聚光器主要起對太陽光聚光的作用，將太陽光聚焦到能量轉(zhuǎn)換器上。能量轉(zhuǎn)換器是聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的核心部件，里面含有輻射器、濾光器、散熱器、光伏電池等。輻射器和濾光器主要是將太陽光照射在光伏電池轉(zhuǎn)換成電能。散熱器主要有兩方面作用：一方面是對光伏電池進行散熱；另一方面是對冷水進行加熱，從而將冷水變成熱水，轉(zhuǎn)換為熱能。循環(huán)水泵的作用是用于冷水在水管、水箱里循環(huán)的動力；水箱是用來提供冷水和存儲熱水的，便于用戶使用。

4 聚光電熱聯(lián)產(chǎn)布局示意圖

圖2 聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)裝配圖

圖3 聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)布局圖

圖3所示的集中式的電熱聯(lián)產(chǎn)設計，具有以下優(yōu)點：集中式安裝和建造可以節(jié)約成本；整體布局、規(guī)劃、設計，更有利于施工和安裝；有利于統(tǒng)一的管理和監(jiān)控。假設，在一個社區(qū)中，每一棟樓配置上一套這樣的系統(tǒng)，就可以滿足整個一棟樓的熱水的供應，同時也方便管理。

5 總結(jié)

聚光型PV/T系統(tǒng)可以通過成本比較低的聚光器的聚光，減少成本相對比較高的太陽能電池組件的面積，有助于節(jié)省土地，單位面積上面的太陽能利用率更高，并且可以利用冷卻聚光器產(chǎn)生的預熱提供熱水。

此外，電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)應用于居民家庭目前還難以實現(xiàn)，主要原因是成本較高。因此還是要集合多個追蹤器，做成一整套設備，集中發(fā)電、集中制冷，這樣可以降低成本。

目前，這種方式的電熱聯(lián)產(chǎn)還存在著一些問題：第一，我們所使用的追蹤器的追蹤支架相對比較復雜，對于制造工藝和安裝要求比較高；第二，因為采用的是聚光，所有的熱量集中到一點，如果冷卻系統(tǒng)沒有及時將熱量帶走，很有可能會燒毀發(fā)電電池；第三，因為是聚光型太陽能熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，那就必須時刻追蹤太陽，這對于控制器太陽追蹤系統(tǒng)的追蹤精度要求比較高。因此，發(fā)展低成本的小型、低倍聚光比的聚光型PV系統(tǒng)，是促進其市場競爭力的有效途徑之一。