淺談聚光型太陽能熱電聯產系統

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產系統

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增長使眾多發達國家著眼于發展可再生能源，甚至將其提升到了關乎國家能源安全的戰略地位。

1 光伏熱電聯產背景

光伏發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。而現在國內外主要的光伏發電組件還是單晶硅、多晶硅太陽能電池和非晶硅薄膜電池，雖然這些技術發展較為成熟，系統的成本也比較低，但是它們的光電轉換效率提升的潛力不夠，單晶硅太陽能電池的轉化效率為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產系統逐漸成為國內外研究的焦點。

聚光型太陽能熱電聯產系統具有輸出電功率密度高，穩定性好，可靠高效等特點。國內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開發相關的裝置。光伏-太陽能熱泵系統通過熱泵循環，穩定了太陽能光熱轉換的輸出溫度，同時維持光伏板在較低的工作溫度下工作，提高了光電轉換效率。 廈門多科莫太陽能科技有限公司于2010年開發了PV/T相關的一些系統，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構，最高可提供50℃的熱水，整個系統的太陽能利用效率約45%，造價約20元/W。

2 光伏熱電聯產技術

光伏熱電聯產技術分為非聚光型和聚光型。非聚光型熱電聯產系統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。同時，為了保證供熱功率，換熱器的面積較大，成本相應較高。聚光型熱電聯產系統由于高聚光比(可以達到500倍以上)的效果，熱流密度可以達到數百千瓦以上，適用范圍更加廣泛，發電和供熱效率也更高，但聚光型熱電聯產系統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產系統的發展及應用

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化為電能，還會變為廢熱造成光電轉化效率下降，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，能量一部分轉化為電能；另一部分則轉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的太陽能利用效率。純光伏發電的熱電聯產原理比較簡單，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產系統的應用示范，大多是與建筑物結合使用，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產系統原理框圖

2.2 聚光型太陽能熱電聯產系統的發展及應用

聚光型太陽能熱電聯產的技術研究起始于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產系統，該系統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產的機理進行了研究，得出了太陽能光譜有效能函數以及太陽能聚光分頻利用熱電聯產的設計方案，對聚光型太陽能熱電聯產系統技術的應用發揮一定作用。

3 聚光型太陽能熱電聯產系統

聚光型太陽能熱電聯產系統是在聚光光伏發電系統的基礎上加入了循環水泵、水管和水箱等部件，組成了新的熱電聯供系統，其系統原理見圖1。這種系統既能提供電能，又能提供熱能。具有高效率、可靠性、實用性、經濟性和低噪音等特點。這個系統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換器上，在能量轉換器里，太陽能一部分轉化為電能，通過匯流柜可以為城鎮小區居民提供生活用電或者并網；一部分轉化成熱能，循環水泵將水箱里的冷水通過水管源源不斷經過能量轉換器形成熱水，存儲在水箱中，為城鎮小區居民提供生活用水。聚光型太陽能熱電聯產系統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出來的電能并入電網。

因此，聚光型太陽能熱電聯產系統主要由自動追蹤器、聚光器、能量轉換器、水管、水箱、循環水泵和匯流柜等部分構成（圖2）。自動追蹤器是西門子PLC或者單片機等核心器件構成的，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換器上。能量轉換器是聚光型太陽能熱電聯產系統的核心部件，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，轉換為熱能。循環水泵的作用是用于冷水在水管、水箱里循環的動力；水箱是用來提供冷水和存儲熱水的，便于用戶使用。

4 聚光電熱聯產布局示意圖

圖2 聚光型太陽能熱電聯產系統裝配圖

圖3 聚光型太陽能熱電聯產系統布局圖

圖3所示的集中式的電熱聯產設計，具有以下優點：集中式安裝和建造可以節約成本；整體布局、規劃、設計，更有利于施工和安裝；有利于統一的管理和監控。假設，在一個社區中，每一棟樓配置上一套這樣的系統，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

聚光型PV/T系統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生的預熱提供熱水。

此外，電熱聯產系統應用于居民家庭目前還難以實現，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，集中發電、集中制冷，這樣可以降低成本。

目前，這種方式的電熱聯產還存在著一些問題：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，如果冷卻系統沒有及時將熱量帶走，很有可能會燒毀發電電池；第三，因為是聚光型太陽能熱電聯產系統，那就必須時刻追蹤太陽，這對于控制器太陽追蹤系統的追蹤精度要求比較高。因此，發展低成本的小型、低倍聚光比的聚光型PV系統，是促進其市場競爭力的有效途徑之一。