太阳能光电-光热综合利用系统

魏 葳 骆仲泱 赵佳飞，2寿春晖 张艳梅 武婷婷 倪明江

1浙江大学能源清洁利用国家重点实验室2大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室

引言

随着节能减碳问题的日益紧迫，可再生能源的开发利用受到了越来越多的关注。而太阳能作为一种储量巨大，分布广泛，清洁安全的新能源，已经在世界范围引起了广泛的重视。太阳辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW，约为全球能耗的2000倍。目前太阳能的主要利用方式有：太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能制氢、太阳烟囱、太阳能制冷、太阳能热水器等。其中太阳能光伏利用技术已经日益成熟，从光伏电站到太阳能路灯，太阳能光伏技术已经被广泛应用。但在太阳能光伏利用方面仍存在两个亟待解决的问题：光伏发电成本较高以及光电转化效率相对较低。工业生产的晶体硅太阳电池转化效率大约在16%～17%，转化效率较高的产品也仅能达到约22%。而在成本方面，德国、日本、美国等太阳能产业发达的国家都制定不同的政府补贴政策以支持光伏产业的发展。我国按太阳能发电成本以及火电上网价格计算，太阳能发电每度仍需补贴1元。[1-3]

当太阳光照射到太阳能光伏电池上时，只有能量大于其半导体材料的禁带宽度的部分光子能量能够转化为电能。此外的能量不仅不能转化为电能输出，还会变为废热造成光电转换效率下降。由于这一特性和太阳能光伏利用的现存问题，本文提出了太阳能光电-光热综合利用的思路，并且有别于传统的太阳能电热联供系统，此思路基于对太阳光的分波段利用，将光电单元和光热单元分离。本系统在很大程度上缓解聚光光伏系统中的热管理问题的同时，通过优化光电单元及光热单元的波段分配方案，能够进一步提高系统效率。

1 通过纳米流体实现太阳能光电-光热综合利用

通过调节纳米流体的纳米颗粒种类、颗粒浓度、颗粒形状、基液种类，基液酸碱度等参数，可以得到不同的流体辐射特性。因此，本文基于纳米流体设计了新型的太阳能光电-光热综合利用系统。

相对于以水为上层工质的传统的太阳能电热联用系统，此系统基于直接吸收技术（Direct Absorption Collection），能够灵活调节上层工质的辐射特性实现对太阳光的全光谱利用。同时，光热单元不再受制于光电单元，由纳米流体直接吸收太阳辐射部分能量进行光热转换，使得得到高温热能成为可能。流体a为能够与PV板的太阳光利用波段良好匹配实现对太阳能全光谱利用的具有特定辐射特性的纳米流体。纳米流体b是基于纳米流体同时具有的良好的换热特性而应用在系统中的冷却工质，也可考虑将纳米流体a先流经此层进行预热然后进入上层吸收部分太阳辐射。图中纳米流体a直接吸收部分太阳光能量进行光热转换，透过纳米流体a部分的能量照射在光伏电池板上进行光电转换。

1.1 太阳能光电-光热综合利用系统对纳米流体辐射特性的期望

如图2，AM1.5的太阳辐射波长主要分布在200nm-2500nm范围内。而单晶硅太阳电池能够响应的太阳光波长主要分布在400nm-1100nm范围内。基于直接吸收技术（DAC），本文所提出的通过纳米流体实现的太阳能聚光分频利用系统期望纳米流体能够直接吸收波长小于400nm，或大于1100nm的太阳光辐射转化为热能，而将波长在400nm-1100nm范围内的太阳光透过供给光伏电池转化为电能。因此，本系统对纳米流体辐射特性的期望为：在波长为400nm-1100nm范围内，其透射率趋近于1，在其余范围内，其吸收率趋近于1。同理，在其他光伏系统中，参考光伏电池能够响应的太阳光波段，可以确定适用于该系统的纳米流体的辐射特性期望。

1.2 纳米流体的制备及辐射特性测试

作为纳米流体辐射特性研究的基础，本文分别采用一步法和两步法制备了稳定的纳米流体。图3

图1为本文提出的通过纳米流体实现太阳能光电-光热综合利用的系统结构示意图。图中纳米为两种制备方法的示意图。本文采用醇介质中氨催化水解正硅酸乙酯，通过控制反应物与催化剂氨水的玻璃来制备不同粒径分布的单分散二氧化硅纳米流体[4]。对比两种制备方法，一步法的分散效果和粒径控制更好，而两步法为物理分散，未引入杂质，且处理量较大。

本文借助UV-3150型紫外可见红外分光光度计对不同颗粒粒径，不同颗粒浓度等不同参数的纳米流体的透射率进行了测量和分析。掺杂颗粒的等效粒径较大的流体其透射率较高，且吸收峰值所对应的波长略小。随着颗粒粒径的减小，其比表面积增大，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性，在红外光场的作用下，原子和电子运动加剧，促使磁化、极化和传导运动，使光能转化为热能，从而增加了对光的吸收。随着颗粒掺杂浓度的升高，颗粒对光的散射加强，流体的透射率明显下降。

1.3 系统效率的理论计算

基于弥散介质理论和遗传算法，根据系统对纳米流体辐射特性的期望，建立了反问题研究模型，寻找能够满足特定辐射特性的纳米流体组分及其配比。并在此基础上建立了此系统的辐射传递模型和能量平衡模型，对系统在不同聚光条件下的性能进行了综合分析。将通过理论计算寻找到的特定纳米流体和水分别应用于电热联供系统后观察系统效率与光强之间的关系。可以看到，相对于水，通过纳米流体实现的太阳能光电-光热综合利用系统光热单元效率明显较高。光热单元温度明显高于以水为工质的系统。而随光强增强，其光电单元转化效率降低小于3%，其程度远小于以水为工质的系统。对比系统有效输出能效率，同样可以看到，在高倍聚光条件下，采用纳米流体的系统优势更加明显。

2 通过光学薄膜实现太阳能分频利用

相对纳米流体在分波段利用方面的探索，在分光技术方面，光学薄膜技术已经相对成熟。因此本文也采用光学薄膜实现太阳能分频利用的另一系统设计。

目前薄膜分频技术主要有复合干涉薄膜技术、棱镜折射分光技术、全息薄膜技术、荧光分光技术以及流体吸收层技术等。本文采用复合干涉薄膜对太阳辐射进行分频，同时通过采用较复杂的多层纯电介质层代替金属层，改善了传统的金属－电介质多层干涉薄膜吸收损失较大的问题。

由于完全分离了光电单元和光热单元，光热利用形式灵活多样。可以用于生活热水，可以直接供给温差电池热端，也可以用于斯特林发动机或太阳能热发电电厂进行发电。

2.1 太阳能聚光分频利用系统的波段分配方案

如图4，图中为一单晶硅太阳电池的外量子效率曲线，通过公式（1）可以计算得到该电池的效率曲线[5]。在该系统中，热利用部分可以是多种形式。以光热转化效率在全波长范围内为8%为例，可得到光热部分效率曲线和光电部分效率曲线的两个交点，如图所示。因此，将光热转换效率高于光电转换效率的波长范围内的太阳光（λ＜420nm，λ＞1120nm）透射给光热单元，将光电转换效率较高的部分（420nm＜λ＜1120nm）反射给光伏电池。即本系统的波长分配方案。

2.2 光学薄膜的设计及制作

在太阳能分频利用系统中，为减少复杂系统带来的光学损失，要求分频薄膜在特定波段要实现高的反射率或透射率。基于此要求，本文设计和制造了两种匹配于不同热利用形式的系统的光学薄膜。它们的透射比与波长的关系如图5所示。

以可以将波长在1100nm以下的辐射能量反射、波长在1100nm以上的辐射能量透射的分频薄膜为例，该薄膜采用SiO2－TiO2在玻璃基底上交替涂层，图6为UV-3101分光光度计的测试结果。测试结果显示，分频薄膜在450nm-800nm波段实现了90%以上的高反射率，在1200nm以上波段实现了90%以上的高透射率。入射角度对复合干涉分频薄膜的工作性能有一定影响。

2.3 太阳能聚光分频利用系统的系统效率

1）理论效率

根据2.1得到的波段分配方案，参考光伏电池及光热单元在特定波长下的转化效率，通过公式（2）能够计算得到系统的理论效率。

以下面两套分配方案为例：

（1）将波长在1100nm以下的辐射能量反射给光伏电池，波长在1100nm以上的辐射能量透射给温差电池。假设光伏电池的转化效率如图4，温差电池的光热电转化效率为8%。

（2）将波长在600nm到1100nm之间的辐射能量反射给光伏电池，波长在600nm以下及1100nm以上的辐射能量透射给太阳能热发电系统。假设光伏电池的转化效率如图4，太阳能热发电部分的能量利用率为20%。

其系统的理论效率如图7，图8。可以看到，分配方案一在分频综合利用后系统效率可以达到15.2%，而分配方案二则可以提升至20.2%，相对单纯的光电单元的15%的效率有比较明显的提升。

2）实验

以理论计算为基础，本文对分配方案（1）进行了系统效率的室外实验验证。通过调节菲涅尔透镜和光电、光热单元之间的距离调节聚光倍数。在不放置分光片和分光片45°放置条件下，分别对光伏组件的U-I曲线进行了测试。测试结果如图9。

图中聚光光伏及聚光分频光伏两部分的效率为测试结果。聚光分频光伏-热电联用系统效率中光热单元效率为理论值。可以看到，小于15倍聚光时，在相同冷却条件下，分频利用对系统效率有一定提升。将聚光分频光伏系统与效率8% 的温差电池联用，可以在较大聚光范围内实现系统效率的提升。而实验中电池本身性能不理想是造成较高聚光倍数下，系统效率下降较快的主要原因。

3 结论

综上，通过对太阳能光电-光热综合利用能够有效提高对太阳能的利用率。基于直接吸收概念，将纳米流体流经电池板上层实现电热联用，相对于传统的电热联用系统，将光电单元和光热单元分离，在实现对太阳光的全光谱利用的同时有望获得高温热能。而借助已经相对成熟的光学薄膜技术能够更好的实现光谱分割。本文通过实验和理论计算验证了光电-光热综合利用对系统效率的提升。

[1]赵玉文，太阳能利用的发展概况和未来趋势，中国电力，2003，36（9）：63-69

[2]赵利勇，太阳能利用技术与发展，能源与环境，2007，04：55-58

[3]姚伟，太阳能利用与可持续发展，中国能源，2005，27（2）：46-47

[4]霍玉秋，翟玉春，醇盐水解沉淀法制备二氧化硅纳米粉，微纳电子技术，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