太陽能光電-光熱綜合利用系統(tǒng)

魏 葳 駱仲泱 趙佳飛，2壽春暉 張艷梅 武婷婷 倪明江

1浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室2大連理工大學海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室

引言

隨著節(jié)能減碳問題的日益緊迫，可再生能源的開發(fā)利用受到了越來越多的關(guān)注。而太陽能作為一種儲量巨大，分布廣泛，清潔安全的新能源，已經(jīng)在世界范圍引起了廣泛的重視。太陽輻射到達地球表面的能量高達4×1015MW，約為全球能耗的2000倍。目前太陽能的主要利用方式有：太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、太陽能制氫、太陽煙囪、太陽能制冷、太陽能熱水器等。其中太陽能光伏利用技術(shù)已經(jīng)日益成熟，從光伏電站到太陽能路燈，太陽能光伏技術(shù)已經(jīng)被廣泛應用。但在太陽能光伏利用方面仍存在兩個亟待解決的問題：光伏發(fā)電成本較高以及光電轉(zhuǎn)化效率相對較低。工業(yè)生產(chǎn)的晶體硅太陽電池轉(zhuǎn)化效率大約在16%～17%，轉(zhuǎn)化效率較高的產(chǎn)品也僅能達到約22%。而在成本方面，德國、日本、美國等太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)達的國家都制定不同的政府補貼政策以支持光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國按太陽能發(fā)電成本以及火電上網(wǎng)價格計算，太陽能發(fā)電每度仍需補貼1元。[1-3]

當太陽光照射到太陽能光伏電池上時，只有能量大于其半導體材料的禁帶寬度的部分光子能量能夠轉(zhuǎn)化為電能。此外的能量不僅不能轉(zhuǎn)化為電能輸出，還會變?yōu)閺U熱造成光電轉(zhuǎn)換效率下降。由于這一特性和太陽能光伏利用的現(xiàn)存問題，本文提出了太陽能光電-光熱綜合利用的思路，并且有別于傳統(tǒng)的太陽能電熱聯(lián)供系統(tǒng)，此思路基于對太陽光的分波段利用，將光電單元和光熱單元分離。本系統(tǒng)在很大程度上緩解聚光光伏系統(tǒng)中的熱管理問題的同時，通過優(yōu)化光電單元及光熱單元的波段分配方案，能夠進一步提高系統(tǒng)效率。

1 通過納米流體實現(xiàn)太陽能光電-光熱綜合利用

通過調(diào)節(jié)納米流體的納米顆粒種類、顆粒濃度、顆粒形狀、基液種類，基液酸堿度等參數(shù)，可以得到不同的流體輻射特性。因此，本文基于納米流體設(shè)計了新型的太陽能光電-光熱綜合利用系統(tǒng)。

相對于以水為上層工質(zhì)的傳統(tǒng)的太陽能電熱聯(lián)用系統(tǒng)，此系統(tǒng)基于直接吸收技術(shù)（Direct Absorption Collection），能夠靈活調(diào)節(jié)上層工質(zhì)的輻射特性實現(xiàn)對太陽光的全光譜利用。同時，光熱單元不再受制于光電單元，由納米流體直接吸收太陽輻射部分能量進行光熱轉(zhuǎn)換，使得得到高溫熱能成為可能。流體a為能夠與PV板的太陽光利用波段良好匹配實現(xiàn)對太陽能全光譜利用的具有特定輻射特性的納米流體。納米流體b是基于納米流體同時具有的良好的換熱特性而應用在系統(tǒng)中的冷卻工質(zhì)，也可考慮將納米流體a先流經(jīng)此層進行預熱然后進入上層吸收部分太陽輻射。圖中納米流體a直接吸收部分太陽光能量進行光熱轉(zhuǎn)換，透過納米流體a部分的能量照射在光伏電池板上進行光電轉(zhuǎn)換。

1.1 太陽能光電-光熱綜合利用系統(tǒng)對納米流體輻射特性的期望

如圖2，AM1.5的太陽輻射波長主要分布在200nm-2500nm范圍內(nèi)。而單晶硅太陽電池能夠響應的太陽光波長主要分布在400nm-1100nm范圍內(nèi)?；谥苯游占夹g(shù)（DAC），本文所提出的通過納米流體實現(xiàn)的太陽能聚光分頻利用系統(tǒng)期望納米流體能夠直接吸收波長小于400nm，或大于1100nm的太陽光輻射轉(zhuǎn)化為熱能，而將波長在400nm-1100nm范圍內(nèi)的太陽光透過供給光伏電池轉(zhuǎn)化為電能。因此，本系統(tǒng)對納米流體輻射特性的期望為：在波長為400nm-1100nm范圍內(nèi)，其透射率趨近于1，在其余范圍內(nèi)，其吸收率趨近于1。同理，在其他光伏系統(tǒng)中，參考光伏電池能夠響應的太陽光波段，可以確定適用于該系統(tǒng)的納米流體的輻射特性期望。

1.2 納米流體的制備及輻射特性測試

作為納米流體輻射特性研究的基礎(chǔ)，本文分別采用一步法和兩步法制備了穩(wěn)定的納米流體。圖3

圖1為本文提出的通過納米流體實現(xiàn)太陽能光電-光熱綜合利用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中納米為兩種制備方法的示意圖。本文采用醇介質(zhì)中氨催化水解正硅酸乙酯，通過控制反應物與催化劑氨水的玻璃來制備不同粒徑分布的單分散二氧化硅納米流體[4]。對比兩種制備方法，一步法的分散效果和粒徑控制更好，而兩步法為物理分散，未引入雜質(zhì)，且處理量較大。

本文借助UV-3150型紫外可見紅外分光光度計對不同顆粒粒徑，不同顆粒濃度等不同參數(shù)的納米流體的透射率進行了測量和分析。摻雜顆粒的等效粒徑較大的流體其透射率較高，且吸收峰值所對應的波長略小。隨著顆粒粒徑的減小，其比表面積增大，處于表面的原子數(shù)越來越多，增大了納米材料的活性，在紅外光場的作用下，原子和電子運動加劇，促使磁化、極化和傳導運動，使光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而增加了對光的吸收。隨著顆粒摻雜濃度的升高，顆粒對光的散射加強，流體的透射率明顯下降。

1.3 系統(tǒng)效率的理論計算

基于彌散介質(zhì)理論和遺傳算法，根據(jù)系統(tǒng)對納米流體輻射特性的期望，建立了反問題研究模型，尋找能夠滿足特定輻射特性的納米流體組分及其配比。并在此基礎(chǔ)上建立了此系統(tǒng)的輻射傳遞模型和能量平衡模型，對系統(tǒng)在不同聚光條件下的性能進行了綜合分析。將通過理論計算尋找到的特定納米流體和水分別應用于電熱聯(lián)供系統(tǒng)后觀察系統(tǒng)效率與光強之間的關(guān)系?？梢钥吹剑鄬τ谒?，通過納米流體實現(xiàn)的太陽能光電-光熱綜合利用系統(tǒng)光熱單元效率明顯較高。光熱單元溫度明顯高于以水為工質(zhì)的系統(tǒng)。而隨光強增強，其光電單元轉(zhuǎn)化效率降低小于3%，其程度遠小于以水為工質(zhì)的系統(tǒng)。對比系統(tǒng)有效輸出能效率，同樣可以看到，在高倍聚光條件下，采用納米流體的系統(tǒng)優(yōu)勢更加明顯。

2 通過光學薄膜實現(xiàn)太陽能分頻利用

相對納米流體在分波段利用方面的探索，在分光技術(shù)方面，光學薄膜技術(shù)已經(jīng)相對成熟。因此本文也采用光學薄膜實現(xiàn)太陽能分頻利用的另一系統(tǒng)設(shè)計。

目前薄膜分頻技術(shù)主要有復合干涉薄膜技術(shù)、棱鏡折射分光技術(shù)、全息薄膜技術(shù)、熒光分光技術(shù)以及流體吸收層技術(shù)等。本文采用復合干涉薄膜對太陽輻射進行分頻，同時通過采用較復雜的多層純電介質(zhì)層代替金屬層，改善了傳統(tǒng)的金屬－電介質(zhì)多層干涉薄膜吸收損失較大的問題。

由于完全分離了光電單元和光熱單元，光熱利用形式靈活多樣?？梢杂糜谏顭崴?，可以直接供給溫差電池熱端，也可以用于斯特林發(fā)動機或太陽能熱發(fā)電電廠進行發(fā)電。

2.1 太陽能聚光分頻利用系統(tǒng)的波段分配方案

如圖4，圖中為一單晶硅太陽電池的外量子效率曲線，通過公式（1）可以計算得到該電池的效率曲線[5]。在該系統(tǒng)中，熱利用部分可以是多種形式。以光熱轉(zhuǎn)化效率在全波長范圍內(nèi)為8%為例，可得到光熱部分效率曲線和光電部分效率曲線的兩個交點，如圖所示。因此，將光熱轉(zhuǎn)換效率高于光電轉(zhuǎn)換效率的波長范圍內(nèi)的太陽光（λ＜420nm，λ＞1120nm）透射給光熱單元，將光電轉(zhuǎn)換效率較高的部分（420nm＜λ＜1120nm）反射給光伏電池。即本系統(tǒng)的波長分配方案。

2.2 光學薄膜的設(shè)計及制作

在太陽能分頻利用系統(tǒng)中，為減少復雜系統(tǒng)帶來的光學損失，要求分頻薄膜在特定波段要實現(xiàn)高的反射率或透射率?；诖艘?，本文設(shè)計和制造了兩種匹配于不同熱利用形式的系統(tǒng)的光學薄膜。它們的透射比與波長的關(guān)系如圖5所示。

以可以將波長在1100nm以下的輻射能量反射、波長在1100nm以上的輻射能量透射的分頻薄膜為例，該薄膜采用SiO2－TiO2在玻璃基底上交替涂層，圖6為UV-3101分光光度計的測試結(jié)果。測試結(jié)果顯示，分頻薄膜在450nm-800nm波段實現(xiàn)了90%以上的高反射率，在1200nm以上波段實現(xiàn)了90%以上的高透射率。入射角度對復合干涉分頻薄膜的工作性能有一定影響。

2.3 太陽能聚光分頻利用系統(tǒng)的系統(tǒng)效率

1）理論效率

根據(jù)2.1得到的波段分配方案，參考光伏電池及光熱單元在特定波長下的轉(zhuǎn)化效率，通過公式（2）能夠計算得到系統(tǒng)的理論效率。

以下面兩套分配方案為例：

（1）將波長在1100nm以下的輻射能量反射給光伏電池，波長在1100nm以上的輻射能量透射給溫差電池。假設(shè)光伏電池的轉(zhuǎn)化效率如圖4，溫差電池的光熱電轉(zhuǎn)化效率為8%。

（2）將波長在600nm到1100nm之間的輻射能量反射給光伏電池，波長在600nm以下及1100nm以上的輻射能量透射給太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。假設(shè)光伏電池的轉(zhuǎn)化效率如圖4，太陽能熱發(fā)電部分的能量利用率為20%。

其系統(tǒng)的理論效率如圖7，圖8?？梢钥吹剑峙浞桨敢辉诜诸l綜合利用后系統(tǒng)效率可以達到15.2%，而分配方案二則可以提升至20.2%，相對單純的光電單元的15%的效率有比較明顯的提升。

2）實驗

以理論計算為基礎(chǔ)，本文對分配方案（1）進行了系統(tǒng)效率的室外實驗驗證。通過調(diào)節(jié)菲涅爾透鏡和光電、光熱單元之間的距離調(diào)節(jié)聚光倍數(shù)。在不放置分光片和分光片45°放置條件下，分別對光伏組件的U-I曲線進行了測試。測試結(jié)果如圖9。

圖中聚光光伏及聚光分頻光伏兩部分的效率為測試結(jié)果。聚光分頻光伏-熱電聯(lián)用系統(tǒng)效率中光熱單元效率為理論值。可以看到，小于15倍聚光時，在相同冷卻條件下，分頻利用對系統(tǒng)效率有一定提升。將聚光分頻光伏系統(tǒng)與效率8% 的溫差電池聯(lián)用，可以在較大聚光范圍內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升。而實驗中電池本身性能不理想是造成較高聚光倍數(shù)下，系統(tǒng)效率下降較快的主要原因。

3 結(jié)論

綜上，通過對太陽能光電-光熱綜合利用能夠有效提高對太陽能的利用率。基于直接吸收概念，將納米流體流經(jīng)電池板上層實現(xiàn)電熱聯(lián)用，相對于傳統(tǒng)的電熱聯(lián)用系統(tǒng)，將光電單元和光熱單元分離，在實現(xiàn)對太陽光的全光譜利用的同時有望獲得高溫熱能。而借助已經(jīng)相對成熟的光學薄膜技術(shù)能夠更好的實現(xiàn)光譜分割。本文通過實驗和理論計算驗證了光電-光熱綜合利用對系統(tǒng)效率的提升。

[1]趙玉文，太陽能利用的發(fā)展概況和未來趨勢，中國電力，2003，36（9）：63-69

[2]趙利勇，太陽能利用技術(shù)與發(fā)展，能源與環(huán)境，2007，04：55-58

[3]姚偉，太陽能利用與可持續(xù)發(fā)展，中國能源，2005，27（2）：46-47

[4]霍玉秋，翟玉春，醇鹽水解沉淀法制備二氧化硅納米粉，微納電子技術(shù)，2003（9）:26-28

[5]D.Kraemer，L.Hu，A.Muto，X.Chen，G.Chen，and M.Chiesa.，Photovoltaic-thermoelectric hybrid system:A general optimization methodology，APPLIED PHYSICS LETTERS，2008，92:243503