太陽能光伏—光熱互補利用技術研究綜述

張旭軍 孫 勇

(河北建筑工程學院能源工程系，張家口 075000)

0 前 言

煤、石油等化石能源的過度使用所導致的環(huán)境污染和能源危機問題日益嚴重，而太陽能由于其資源本身獨特的可再生性、無污染性和分布廣泛性，得到了全世界范圍內的廣泛關注.因此，國內外諸多關于太陽能利用技術的研究也隨之開展開來.

傳統(tǒng)的太陽能利用技術包括光伏利用技術和光熱利用技術兩種.其中，光伏利用技術主要通過利用光伏電池將全光譜太陽能中所帶能量高于電池帶隙能的光譜波段轉換為電能，來實現(xiàn)對太陽能的利用[1]；光熱利用技術主要通過聚光鏡等聚光集熱裝置來聚集太陽熱能，并利用所聚集到的太陽熱能將導熱油、熔鹽等傳熱工質加熱至幾百攝氏度的高溫，以帶動汽輪機等熱機裝置來做功、產電[2]，或者利用所聚集到的太陽熱能來驅動光熱化學反應以制取太陽能燃料，進而帶動內燃機、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組、燃料電池等燃料轉電裝置來生產電能[3].但對于單一光伏利用技術來說，由于光伏電池僅能利用所帶能量高于電池帶隙能的光譜波段(通常為紫外與可見光譜波段)，因而不能對太陽能全光譜進行利用，導致所帶能量低于電池帶隙能的光譜波段(通常為紅外光譜波段)不能被有效利用，而只能被轉化為焦耳廢熱；對于單一光熱利用技術，其雖然實現(xiàn)了對太陽能全光譜的利用，但由于能量傳遞過程中能損較大，導致該技術在應用時能量轉換效率相對較低.因此，如何實現(xiàn)對太陽能的高效利用是太陽能利用技術中亟待解決的問題.

近年來，光伏—光熱互補利用技術作為太陽能利用技術中的一種新方式，逐漸成為了各國學者的研究熱點.Wolf等[4]最早提出了將光伏利用技術與光熱利用技術相結合的光伏—光熱互補利用技術，即將入射的太陽能首先經光伏電池轉換為電能對外輸出，而后將光伏電池所產的焦耳廢熱用于光熱利用技術中進行利用(用來供熱、制冷或發(fā)電等).由于該互補技術中利用光熱技術對光伏電池所產的焦耳廢熱進行了有效回收利用，必定會帶來太陽能利用效率的提升.通過對將光伏—光熱互補利用技術應用在某住宅房間的各項參數(shù)進行為期一年的監(jiān)測，Wolf等研究發(fā)現(xiàn)，在相同的太陽直射輻射強度下，相對于單一光伏利用技術和單一光熱利用技術，應用該互補技術時對外輸出能量可顯著增加.因此，通過將光伏利用技術與光熱利用技術進行互補，可實現(xiàn)太陽能整體利用效率的提升.本文主要對光伏—光熱互補利用技術的分類、原理與研究現(xiàn)狀進行了總結、概述.

1 光伏—熱機互補利用技術

Chubb等[5]率先提出了將光伏發(fā)電技術與熱機進行結合的概念，即利用熱機來回收光伏電池所產的焦耳廢熱，這樣一方面可有效降低光伏電池溫度以提高其效率(光伏電池存在負溫度效應)，另一方面可利用熱機來做功增加產出.具體的光伏—熱機互補系統(tǒng)示意圖見圖1，如圖1所示，該互補系統(tǒng)主要由聚光鏡、光伏電池、電能存儲單元、熱機和熱能存儲單元等部分組成.系統(tǒng)工作流程為：入射的全光譜太陽能首先被聚集到光伏電池表面，其中，一部分光譜能量被轉換為電能并存儲到電能存儲單元中；另一部分光譜能量被轉換為焦耳熱能，并被用來驅動熱機中所進行的的有機朗肯循環(huán)來做功以對外輸出能量.研究結果表明，由于通過利用熱機對光伏電池所產的焦耳廢熱進行了有效回收，互補系統(tǒng)效率較單一光伏發(fā)電系統(tǒng)和單一光熱發(fā)電系統(tǒng)均有所提高.例如，相比于單一光伏發(fā)電系統(tǒng)，該互補系統(tǒng)效率可提高約2個百分點[6].進一步地，Al-Nimr等[7]對此類互補系統(tǒng)中的關鍵運行參數(shù)進行了靈敏度分析，并定量化地研究了循環(huán)初溫、環(huán)境溫度、太陽輻照強度等關鍵運行參數(shù)對光伏電池發(fā)電效率、有機朗肯循環(huán)效率及整個互補系統(tǒng)效率的影響.研究結果表明，在系統(tǒng)的設計運行工況下，當循環(huán)初溫低于61°C時，整個互補系統(tǒng)效率會隨循環(huán)初溫的持續(xù)上升而不斷增加；反之，當循環(huán)初溫高于61°C時，循環(huán)初溫的持續(xù)上升會引起整個互補系統(tǒng)效率的不斷下降.

圖1 光伏—熱機互補系統(tǒng)示意圖[5]

對于光伏—熱機互補系統(tǒng)，其效率相對于單一系統(tǒng)會有所提升的原因在于其通過熱機內的有機朗肯循環(huán)實現(xiàn)了對光伏電池所產焦耳廢熱的有效回收.需要指出的是，由于當循環(huán)溫度較高時，有機朗肯循環(huán)效率雖然會相對較高，但是受光伏電池負溫度效應的影響，光伏電池發(fā)電效率會有所下降；而當循環(huán)溫度較低時，光伏電池發(fā)電效率雖然會有所提高，但是有機朗肯循環(huán)效率會相對較低.因此，受兩者相互間制約的影響，光伏電池與熱機相結合的互補系統(tǒng)效率較單一系統(tǒng)提高相對較少.

2 光伏—光熱化學互補利用技術

將光伏利用技術與光熱化學技術進行互補是有效利用太陽能的另一種途徑.例如，李文甲等[8]提出了將光伏電池與光熱化學反應(以甲醇裂解反應為例)相結合的互補系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖2所示，該系統(tǒng)主要由點聚焦式的菲涅爾透鏡、光學棱鏡、光伏電池和反應器組成，其工作流程為：入射的太陽光線經點聚焦式的菲涅爾透鏡及光學棱鏡首先聚集到光伏電池表面；光伏電池在產電的同時，釋放出焦耳熱能，其中一部分焦耳熱能通過對流換熱及輻射換熱等方式散失到外界環(huán)境中，剩下部分的焦耳熱能通過熱傳導的方式傳遞到反應器中，驅動在其內進行的甲醇裂解反應(CH3OH=CO+2H2，ΔH298K=90.1 kJ/mol)，以制取太陽能燃料(CO+2H2).該系統(tǒng)在利用光伏電池產出電能的同時，還可將光伏電池所產的大部分低品位焦耳熱能，通過光熱化學反應轉換為高品位的太陽能燃料對外輸出，實現(xiàn)了對太陽能的高效利用.

圖2 光伏電池—光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖[8]

甲醇裂解反應等光熱化學反應所產的太陽能燃料可經各種燃料轉電裝置進一步被轉換為電能來進行利用.李文甲等[9-11]將光伏電池與光熱化學反應相結合的互補系統(tǒng)與內燃機、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組、燃料電池等燃料轉電裝置進行了耦合，并分別對各系統(tǒng)性能進行了研究分析.其中，圖3為耦合了內燃機的光伏電池—光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖.如圖3所示，除聚光鏡、光伏電池、反應器等部件外，該系統(tǒng)還加裝了太陽能燃料儲存裝置及內燃機.由于引入了太陽能燃料儲存裝置，該系統(tǒng)可實現(xiàn)靈活、連續(xù)、穩(wěn)定的供能：當太陽輻照強度較強時，系統(tǒng)在對外供能的同時可將反應器內光熱化學反應所產的多余太陽能燃料，通過儲存裝置進行存儲；當太陽輻照強度較弱、夜晚或供能需求突然增大時，則將儲存裝置內存儲的太陽能燃料經內燃機轉換為電能對外輸出.同時，由于引入了內燃機，該系統(tǒng)對外輸出的能量形式均為電能，研究結果表明，當內燃機效率為33.53%時，該系統(tǒng)的凈太陽能發(fā)電效率可達39%左右.

圖3 耦合了內燃機的光伏電池—光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖[9]

圖4為耦合了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的光伏電池—光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖.如圖4所示，該系統(tǒng)與圖3中所示系統(tǒng)的不同之處在于其在連接的是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，同樣可將反應器內光熱化學反應所產的太陽能燃料轉換為電能對外輸出.相比于內燃機，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組由于對多種熱力學循環(huán)進行了耦合，因而可以獲得更高的熱效率.因此，該系統(tǒng)在實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電能的同時，還可進一步提高對太陽能的整體利用效率.理論分析結果表明，該系統(tǒng)凈太陽能發(fā)電效率可達約43%.

圖4 耦合了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的光伏電池—光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖[10]

圖5為耦合了燃料電池的光伏電池與光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖.如圖5所示，該系統(tǒng)與圖3中系統(tǒng)的不同之處在于其系統(tǒng)末端連接了燃料電池，以將反應器內光熱化學反應所產的太陽能燃料轉換為電能對外輸出.燃料電池也是一種高效的燃料轉電裝置，由于其主要通過電化學反應把燃料的化學能直接轉換成電能，因而轉換效率高且不再受卡諾循環(huán)效率的限制.因此，該系統(tǒng)在穩(wěn)定輸出電能的同時，也可進一步提高對太陽能的整體利用效率.熱力學分析結果表明，在考慮光學損失的前提下，當系統(tǒng)運行溫度范圍在100～250℃內時，該系統(tǒng)的理論凈太陽能發(fā)電效率可達43.6%～44.3%，相比于單一光伏發(fā)電系統(tǒng)與單一光熱化學發(fā)電系統(tǒng)，分別可提高約21、11個百分點.

圖5 耦合了燃料電池的光伏電池—光熱化學反應互補系統(tǒng)示意圖[11]

3 結 語

綜上所述，無論是光伏——熱機互補利用技術，還是光伏——光熱化學互補利用技術，兩者均可將全光譜太陽能中高于光伏電池帶隙能的光譜波段能量經光伏電池轉化為電能對外輸出，同時將全光譜太陽能中部分低于光伏電池帶隙能的光譜波段能量經熱機做功實現(xiàn)能量回收并對外輸出，或經光熱化學反應轉化為太陽能燃料以供使用。光伏——光熱互補利用技術通過對單一光伏利用技術與單一光熱利用技術的合理、有效耦合，大幅減少了太陽能利用過程中的能量傳遞損失，進而有效提升了太陽能的整體利用效率，實現(xiàn)了對太陽能資源的高效綜合利用。

但需要說明的是，光伏——熱機互補利用技術主要是利用熱機，通過直接接觸傳熱的方式回收利用光伏電池所產生的焦耳廢熱，但其受限于光伏電池的負溫度效應與朗肯循環(huán)的“高溫即高效”效應之間的矛盾，其太陽能利用效率提高的幅度有限；而光伏——光熱化學互補利用技術主要是通過中低溫化學反應對光伏電池所產生的焦耳熱進行廢熱回收，反應時一般不需要過高的溫度，故可以成功避免掉上述矛盾，其對于太陽能整體利用效率的提高幅度也就更大。此外，文獻[12]曾提出了將透光光伏電池與光熱化學反應相結合的槽式聚光光伏——光熱化學互補系統(tǒng)，互補系統(tǒng)示意圖見圖6。

圖6 槽式聚光光伏——光熱化學互補系統(tǒng)示意圖

透光光伏電池不同于普通的光伏電池，其在將全光譜太陽能中所帶能量高于電池帶隙能的光譜波段轉換為電能的同時，可使所帶能量低于電池帶隙能的光譜波段穿過光伏電池[13]。因此，該系統(tǒng)在將全光譜太陽能中所帶能量高于電池帶隙能的光譜波段經透光光伏電池轉化為電能的同時，可使所帶能量低于電池帶隙能的光譜波段透過光伏電池，并通過驅動在吸熱反應管內進行的光熱化學反應，轉化為太陽能燃料(CO+2H2)以對外輸出，而非讓其轉化為焦耳廢熱。在該互補系統(tǒng)的能量轉換過程當中，入射到吸熱反應管的光譜波段僅為透過的紅外光譜波段而非全光譜，而不同的光譜波段所攜帶的能量不同。因此，當入射的光譜波段僅為透過的紅外光譜波段時，吸熱反應管的性能會與全光譜太陽能入射時有所不同，對應的系統(tǒng)綜合能量轉化效率也會隨之發(fā)生變化。例如，當聚光比為21.4時，該互補系統(tǒng)的總太陽能利用效率可達54%～58%(高于同等工況下的單一光伏/光熱化學反應系統(tǒng)約3～5個百分點)。同時，太陽直射輻射強度、甲醇進口流量、甲醇進口溫度等關鍵運行參數(shù)會對該互補系統(tǒng)的吸熱反應管中的反應管溫度、甲醇轉化率等產生較為明顯的影響。甲醇裂解反應中的反應管溫度、甲醇轉化率均隨太陽直射輻射強度減弱、甲醇進口流量增大、甲醇進口溫度減小而逐漸下降。本文的研究工作為后續(xù)進行聚光光伏—光熱化學互補方法的探索、實踐等工作提供了一種可能性。