APP下载

太阳能光电/光热一体化技术及其应用进展研究

2020-06-18李莉莉黄宏宇邓立生ChristopheMenezo

可再生能源 2020年6期
关键词:单晶硅集热器光热

李莉莉, 白 羽, 黄宏宇, 邓立生, Christophe Menezo

(1.中国科学院广州能源研究所, 广东 广州 510640; 2.中国科学院大学, 北京 100049; 3.中国科学院可再生能源重点实验室, 广东 广州 510640; 4. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室, 广东 广州510640; 5.法国萨瓦大学 环境与过程优化实验室, 萨瓦 尚贝里 73376)

0 引言

太阳能的应用方式主要有太阳能集热系统、太阳能光伏系统、 太阳能光电/光热一体化(Photovoltaic/Thermal,PV/T)系统以及其他耦合系统。 其中,PV/T 系统是由光伏电池组件和太阳能集热器组成的系统,可以同时实现光电利用和光热利用,从而提高太阳能的综合利用效率,因此,适用于居住密度较高、安装空间有限、建筑能耗较大的区域。 本文从PV/T 系统的结构和性能,及其耦合系统的应用情况等展开论述和分析,总结出了PV/T 系统的研究进展及其改进的方向。

1 光电系统

1.1 晶硅型PV/T 系统

1.1.1 单晶硅PV/T 系统

单晶硅太阳能电池以纯度高的单晶硅棒为原料,具有较高的光电转化效率(26.3%),在光伏应用中占主导地位[1]。 Hisashi Saitoh[2]将单晶硅太阳能电池固定在背面带有铜管的铝板上,制成PV/T系统,而后将该系统与PV 系统、太阳能集热系统进行了对比研究, 分析结果表明,PV/T 系统的总能效与太阳能集热系统大致相同,PV/T 系统的火用效率高于其他2 种系统。 Sarhaddi F[3]搭建了单晶硅空气型PV/T 系统, 并开发出模拟程序计算该系统的各项参数,模拟结果表明,该系统的电效率、热效率、综合转化效率和火用效率分别为10.01%,17.18%,45%和10.75%。

1.1.2 多晶硅PV/T 系统

多晶硅太阳能电池一般用废弃单晶硅尾料或冶金级硅材料制成,其成本比单晶硅低,是基于单晶硅电池研发出的太阳能电池, 在光伏行业中的占有率为70%[4]。 多晶硅太阳能电池的光电转换效率总体上比单晶硅太阳能电池低, 最高光电转换效率约为21.9%[5]。 周伟[6]研发出了一种多晶硅PV/T 多孔扁盒集热器,其结构如图1 所示。

图1 多晶硅PV/T 多孔扁盒集热器的结构图Fig.1 Structure diagram of polycrystalline silicon collector

由图1 可知, 该集热器背部有6 根多孔扁盒集热管作为吸热装置, 每个扁盒集热管内有5 个矩形通道, 将此集热器与风冷式翅片管蒸发器组合搭建了光伏/光热一体化热泵热水系统实验台,通过测试得到, 该系统的光热转化效率为55%,光电转化效率为21.5%。

晶硅型PV/T 系统当前存在的问题: 晶硅型太阳能电池温度系数较高; 晶硅型太阳能电池的光电转化效率随着自身温度升高而下降的趋势比较明显; 如何有效地利用吸热层将晶硅型太阳能电池的热量及时带走; 晶硅型太阳能电池生产成本较高,弱光性能较差。 因此,晶硅型太阳能电池的各项性能还须要进一步提高。

1.2 薄膜型PV/T 系统

目前,薄膜光伏电池主要有两种:非晶硅薄膜电池和化合物薄膜电池。其中,常用的化合物薄膜电池包括碲化镉薄膜电池、 铜铟镓硒薄膜电池和砷化镓薄膜电池。

1.2.1 非晶硅PV/T 系统

非晶硅太阳能电池是一种以非晶硅化合物为基本组成的薄膜光伏电池。 带有非晶硅太阳能电池的PV/T 系统具有适合于大批量生产、 弱光响应较好等优势。Jing Li[7]设计出了一种将非晶硅沉积在不锈钢上的PV/T 系统(图2),该系统的电效率为5.92%,热效率为43.47%。

图2 非晶硅PV/T 系统结构图Fig.2 Schematic diagram of amorphous silicon PV/T system

穆丽娟[8]建立了两种非晶硅PV/T 系统的传热模型,见图3。 图3 中:系统1 为非晶硅电池板贴在吸热板上;系统2 为非晶硅电池板作为盖板。

图3 两种非晶硅PV/T 集热器的结构图Fig.3 Sectional view of two PV/T collectors

通过分析发现:系统1 的能量效率和火用效率均高于系统2;随着太阳辐射强度逐渐增大,两种PV/T 系统的热效率和总效率均逐渐增加,电效率基本不变;随着太阳辐射强度逐渐增大,系统1 热量火用效率和总火用效率的增加幅度较大, 系统2 热量火用和总火用效率的增加幅度较小;随着风速逐渐增加, 两种PV/T 系统的总能量效率和总火用效率均逐渐减小,并且系统1 总能量效率和火用效率的减小速率较快。

1.2.2 化合物薄膜电池PV/T 系统

①碲化镉PV/T 系统

碲化镉薄膜电池为在玻璃或柔性衬底上依次沉积多层薄膜而形成的光伏器件,其结构见图4。

图4 碲化镉电池的结构图Fig.4 Structure of CdTe cells

碲化镉薄膜电池的温度系数较低, 更适用于高温、沙漠等严苛环境。碲化镉对弱光的敏感度较高,具有较好的弱光效应。 目前,碲化镉PV/T 系统还处在研究阶段,Bennett Widyolar[9]模拟分析了以碲化镉为光伏组件的抛物面槽式PV/T 系统,分析结果表明:当光线波长为517~879 nm,系统温度为405 ℃时,系统的电效率为24%,热效率为45%;当光线波长为486~881 nm,系统温度为385 ℃时,系统电效率为22%,热效率为39%;当光线波长为496~880 nm, 系统温度为455 ℃时,系统电效率为22%,热效率为41%。张恰恰[10]通过数值模拟分析了我国各建筑气候带条件下, 碲化镉PV/T 系统的各项性能,分析结果表明,碲化镉PV/T 系统的光电转化效率较为稳定,并且在同一建筑气候带条件下, 碲化镉PV/T 系统的光热转化效率比单晶硅PV/T 系统约高出10%。 综上可知,碲化镉PV/T 系统对气候的适应性较强,应用潜力较大。

②铜铟镓硒PV/T 系统

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池具有生产成本低(约为晶体硅太阳能电池的1/3)、污染小、不衰退、弱光性能好等特点,在标准光照条件下,其光电转换效率约为14%[11]。此外,该电池还具有柔和、均匀的黑色外观,适用于外观要求较高的场所,如大型建筑物的玻璃幕墙等,因此,具有较好的市场前景。 严辉[12]设计出了一种金属基底CIGS薄膜光伏电池的建筑光伏光热一体化构件,CIGS薄膜光伏电池通过金属棒和输出电极将电能和热能导出并利用,该光伏电池不须要随太阳的移动而转动,能够接收沿玻璃管周围360°区域的入射光线,从而提高了其受光面积,该光伏电池的发电量也随之增加。 此外,铜铟镓硒PV/T 系统还具有结构简单、方便实用的特点,便于推广。

③砷化镓PV/T 系统

砷化镓薄膜太阳能电池是采用化学气相沉积法在单晶硅基板上析出GaAs 薄膜而制成的薄膜太阳能电池。 与传统太阳能电池板相比,砷化镓薄膜太阳能电池具有柔性可弯曲、质量轻、颜色可调、对温度变化不敏感等优势。 目前,将砷化镓薄膜太阳能电池应用到PV/T 系统的研究也较多,Abdelhamid M[13]利用砷化镓薄膜太阳能电池和非成像光学器件制备出一种新型的双级高浓度混合太阳能光伏热收集器,该热收集器利用抛物槽将太阳光聚焦到二次非成像复合抛物面聚光器上,通过实验得到, 该热收集器的平均热效率约为37%,最高电效率约为8%。 Helmers[14]设计出了一种带有砷化镓薄膜太阳能电池的抛物面碟CPV/T系统,该系统上有一个孔径为1.06 mm2的抛物面盘,该抛物面盘安装在两轴跟踪机构上,该抛物面盘将太阳光线聚焦到几何尺寸为45 mm×45 mm的接收器上,通过测试得出,该系统的电效率为19.9%,综合效率为60.5%。

综上可知,薄膜型太阳能电池具有弱光性能较好、质地柔软等特点,能够与建筑较好地结合,其缺点为光电转化效率较低。 薄膜型太阳能电池在技术上仍有上升的空间,随着光伏产业化技术的逐步成熟,薄膜型太阳能电池具有较好的前景。

2 光热部件

2.1 集热器构型

流体通道结构的改善对提高PV/T 系统的热效率起着重要的作用。 Hussain[15]将铝蜂窝状换热器应用到空气型PV/T 系统中, 以提高该系统的集热性能, 由铝蜂窝状换热器组成的PV/T 集热器见图5。

图5 PV/T 集热器截面图Fig.5 Cross section of PV/T collector

Fudholi[16]设计出了3 种吸收器通道,具体包括网流吸收器、 直流吸收器和螺旋流吸收器(图6)。 通过实验发现,使用直流吸收器可以使PV/T系统具有更高的热效率, 使用螺旋流吸收器可以使PV/T 系统具有更高的电效率和综合效率。 在太阳辐照强度为800 W/m2的条件下,带有螺旋流吸收器的PV/T 系统的综合效率、 热效率和电效率分别为68.4%,54.6%和13.8%。

图6 3 种流体通道结构图Fig.6 Three fluid channel diagrams

此外,Xu P[17]通过实验发现,相比于传统的管板式PV/T 系统,带有超薄吸收通道PV/T 系统的电效率约升高了5%, 热效率约升高了65%。Tripanagnostopoulos Y[18]对空气型PV/T 系统进行了2 种改进, 一种是将薄的扁平金属板放置于空气通道内; 另一种是将翅片安装在空气通道底面上,见图7。 利用改进后的空气型PV/T 系统可以在冬季对建筑物进行供暖, 在夏季采用自然通风的方式对建筑物进行制冷。

图7 2 种改进PV/T 系统的结构图Fig.7 Structure diagram of two improved PV/T systems

Bergene[19]基于管间距与管径的比值(W/D)对PV/T 系统的各项性能进行研究, 分析结果表明,当W/D 由1 逐渐增加至10 时,PV/T 系统出口流体温度逐渐降低。

2.2 传热介质

太阳能电池吸收太阳辐射能后, 部分太阳辐射能没有转化成热能,从而导致自身温度升高。对于不同种类的太阳能电池,温度每升高1 ℃,光电转化效率下降0.5%,因此,降低太阳能电池温度就显得尤为重要[20]。

目前, 冷却太阳能电池使用的冷却流体介质主要有空气、水、制冷剂和纳米流体。Nižetic S[21]利用空气对太阳能电池进行冷却,通过测试得到,利用空气冷却的PV/T 系统的电效率、 热效率分别为8%,41%。 Solanki S C[22]通过研究发现,相比于空气, 以水作为冷却介质的PV/T 系统的发电效率更高。 Sakhr[23]通过测试发现,晴天条件下水型PV/T 系统的电效率为12.89%, 最高小时热效率和综合效率分别为61.3%,74.1%。此外,有学者将太阳能热泵系统与PV/T 系统相结合, 并将制冷剂作为冷却流体应用于PV/T 系统, 集热器作为蒸发器,利用制冷剂从集热器中吸取热能,这降低了太阳能电池的工作温度, 提高了整个系统的热效率和电效率[24]。随着科技进步,有研究人员将以纳米流体为工作介质的光学滤波器与PV/T 系统相结合, 该系统中的纳米流体能够吸收不被光伏电池利用的光谱,从而降低光伏电池的温度[25]。

3 PV/T 系统性能评估方法

3.1 平板型PV/T 系统总效率

通常,使用光电光热总效率η0来评价平板型PV/T 系统的综合性能。 η0的计算式为

式中:ηth,ηe分别为PV/T 系统的热效率、电效率。

3.2 一次能源节约率

相对于热能, 电能为一种高品位的能量。Huang[26]提出了一次能源节约效率Ef作为平板型太阳能光电/光热一体化热水系统的综台性能评价指标。Ef兼顾了电能和热能的数量和品味,能够反映平板型光电/光热一体化组件将所吸收的太阳能转化为电能和热能的能力。 Ef的计算式为

式中:ηpower为常规火电机组的发电效率,取0.38。

式(1),(2)只适用于光伏电池面积和吸热板面积完全相等的情况。然而对于实际的光电/光热一体化组件, 由于光伏电池自身几何尺寸的限制和封装工艺的要求,其面积会小于吸热板面积,因此,令ζ 为光伏电池覆盖率,则平板型PV/T 系统的光电光热综合性能效率可修正为

ζ 的计算式为[26]

式中:Apv为光伏电池面积,m2;Ac为太阳能吸热板有效集热面积,m2。

基于式(1),(4)可以将平板型PV/T 系统的光电光热总效率修正为

4 PV/T 耦合系统的应用

4.1 PV/T 系统与热泵技术耦合

PV/T 系统与热泵装置相结合的主要方式为热泵循环系统。 此耦合系统既提高了热泵的各项性能, 又提高了PV/T 系统的太阳能综合利用效率。 裴刚[27]认为当水的温度高于50 ℃时,才能作为生活热水进行应用。 为了提高PV/T 热水系统的出口温度, 学者们设计出了PV/T 耦合热泵(PV/T-SAHP)系统。PV/T-SAHP 系统的能效比高于一般的热泵系统。PV/T-SAHP 系统的热效率为70.4%,与普通光伏组件相比,该系统的电效率提高了16.3%。 黄晨茜[28]提出了一种新型的光电光热复合热泵近零能耗供热系统, 并利用TRNSYS软件对该系统的各项性能进行模拟分析, 分析结果表明, 太阳能复合热泵子系统的总供热量能够满足整个系统的能耗需求, 整个系统的月平均COP 为4.65,太阳能保证率为0.42~0.89。

4.2 PV/T 系统与海水淡化系统耦合

将PV/T 系统与海水淡化系统相结合, 利用海水冷却光伏板可以提高PV/T 系统的光电转化效率, 并且PV/T 系统的光热部分可以提高海水温度,增加海水淡化系统的淡水产量。张学镭[29]研究了PV/T 系统与海水淡化系统结合的复合系统的各项性能,经过分析发现,该复合系统的光电转化效率比单一光伏系统提高了13.21%,该复合系统的淡水产量(7.3 kg/h)高于常规海水淡化系统。Singh[30]设计出了一种CPC-PV/T 海水淡化系统,首先对海水进行预热处理, 然后将海水送入系统后端的蒸馏器内,对海水进行蒸馏以获得淡水,接着将未蒸馏的海水排出并与补充海水混合后再次输入集热系统。

4.3 PV/T 系统与干燥系统耦合

将PV/T 系统加热后的空气送入干燥系统,可以带走干燥系统所吸附的水分, 从而保证干燥系统能够持续运行。Calise[31]设计出了一种聚光型PV/T 系统与转轮除湿相耦合的系统,该系统所发出的电能既可以向除湿转轮和辅助设备供应,也能够向用户供应, 该系统所产生的热能既可以向除湿转轮供应,也可以用来制备生产、生活用水。

5 结论

本文从光电与光热两部分分析了PV/T 系统的结构和性能。分析结果表明:晶硅型太阳能电池光电转化效率较高, 但晶硅型PV/T 系统在运行过程中会出现器件密封不严等问题, 长期的水汽腐蚀会导致各部件相脱离,因此,该系统须要采用高效晶硅组件使其具备更好的环境适应能力;薄膜太阳能电池具有弱光条件下发电性能好、 质地柔软,以及能够与建筑较好地结合等优点,是一类新型的PV/T 系统光伏组件, 使用纳米流体作为冷却介质时,会具有更高的热效率;利用蜂巢式流体通道结构可以增强换热, 提高PV/T 系统的综合转化效率, 并且采用导热性更强的材料可减小电池板与吸热板之间的热阻, 使流体能快速带走电池板的热量,以提高其电效率。

猜你喜欢

单晶硅集热器光热
11 2021年全球光热发电建成装机增至6692MW
蓄能型空气式太阳能集热器的实验研究与分析
管式太阳能集热器的颗粒换热模拟
微通道平板集热器太阳能热水系统模拟分析
管板式光伏光热系统性能实验研究
太阳能集热器
太阳能光热发电中导热油循环系统的设计开发
我国首个大型光热示范电站投运
浅析单晶硅生长的机理
单晶硅太阳电池工艺研究