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        太陽能光伏發電的發展
        作者:admin 瀏覽次數:832 時間:2019-04-10

        太陽能光伏-光熱技術將光伏發電與太陽能熱利用相結合,一方面降低光伏板工作溫度,提高其發電效率;另一方面回收一定溫度的熱量,綜合提高太陽能光熱轉換效率。與分離式的光伏電池和普通太陽能集熱器相比,太陽能光伏-光熱技術更容易實現建筑一體化,與熱泵等技術相結合的系統可同時實現供冷、供熱、供熱水等多功能,是極具潛力的太陽能綜合利用技術。本文主要介紹太陽能光伏-光熱集熱器性能研究的理論和實驗結果,及其節能設計和應用情況,總結該項技術新近發展趨勢及亟待解決的問題,為進一步實現該技術的工程應用及推廣提供參考。
              能源是影響各國經濟和民生發展的主要因素。隨著能源消耗的日益增加,世界日耗油量已達9×107桶[1]。至2025年,該數字預計將增至12.3×107桶[2]。眾所周知,大量礦物燃料的消耗是造成環境污染的主要因素。礦物燃料的短缺和環境污染的日益惡化等問題都促使人們更加關注可再生能源的開發和利用,尤其太陽能相關技術的研發備受關注。太陽能的利用技術從能量轉換方式可分為兩大類:太陽能光熱利用和太陽能光伏利用技術。從目前的研究不難看出:兩種利用技術的轉化效率并不理想,尤其太陽能光伏發電效率相對較低。太陽能光熱和光伏技術的結合,即太陽能光伏-光熱技術,可以一定程度上提高太陽能綜合利用效率。
          目前,太陽熱能的利用占一次能源的0.5%,而太陽光伏能源僅有0.04%[3]。因此,太陽光熱利用和太陽光伏利用技術均具有廣泛發展空間。相比于較理想的太陽能光熱轉換效率,太陽能光伏利用的發電效率普遍較低,通常在15~20%內。為克服這點,研究者提出了太陽能光伏-光熱技術,即集太陽能電池與太陽能集熱器功能于一體,采用層壓或膠粘技術將太陽能電池(或組件)與太陽能集熱器結合起來組成太陽能光伏/光熱集熱器(photovoltaic-thermal collector,即PVT集熱器)。PVT集熱器一方面通過冷卻太陽能光伏板使光伏效率提高,一方面得到一定溫度的熱量,并由氣體或液體回收利用。因此,雙功能的PVT集熱器與獨立的太陽熱能或太陽光伏系統相比,具有較高的綜合轉換效率,其市場潛力有望高于兩種單獨利用的系統。本文主要介紹PVT集熱器性能研究的理論和實驗結果,簡述該項技術新近發展趨勢及亟待解決的問題。
          2. PVT集熱器的性能研究
          有關PVT技術的理論及實驗研究始于20世紀70年代中期。Wolf和Florschuetz等人[4]提出了PVT集熱器的主要概念。PVT集熱器按冷卻流體不同分為PVT液體(水、制冷劑)集熱器和PVT空氣集熱器,按介質流動方式分為自然循環和強迫循環;按有無蓋板又分為蓋板和無蓋板;按結構形式不同分為平板型和聚光型P,按與建筑結合形式的不同分為獨立式和建筑一體化式。1979年, Florschuetz最早采用修正過的Hottel-Whillier模型對PVT集熱器進行了詳細的理論分析。隨后,Raghuraman和Mbewe等人分別針對平板型、聚光型PVT集熱器展開相關研究。在80年代后期,針對各類PVT集熱器的性能模擬及實驗研究成為熱點。研究表明:太陽能熱利用介質的冷卻效果使光伏電池效率明顯改善,且液體冷卻效果好于空氣冷卻。平板型PVT液體集熱器系統的理論熱效率通常在45-70%,而空氣型在優化情況下可達55%。
          選擇合理的工作溫度對設計高效的PVT集熱器至關重要。工作溫度對不同類型光伏電池的PVT集熱器性能影響不同。應選用價格相對較低,發電效率相對較高,并且受工作溫度影響較小的光伏電池。一般來說,隨著工作溫度的升高,光伏電池的發電效率呈線性降低趨勢。由于較低的溫度系數及其價格優勢,在一定工作溫度范圍內,薄膜光伏電池更適用于PVT集熱器。但是由于晶體硅太陽能電池的發電效率普遍高于薄膜電池,所以目前的PVT集熱器大多采用晶體硅太陽能電池。然而隨著高效薄膜光伏電池的出現,加之較低的溫度系數,該類型的電池對PVT集熱器將更具吸引力。除了工作溫度,集熱器部件的光學性能、冷卻介質的質量流量、集熱器的結構參數等都是影響PVT集熱器性能的重要因素[5]。因此,為保障PVT集熱器綜合工作性能,應根據工作溫度區間選擇適合的光伏電池類型,準確設計各主要結構參數,同時保證合理的運行參數設置,包括熱電輸出比例、太陽能百分比等參數。
          3. PVT 集熱器節能設計及應用
          太陽能在建筑上的應用最為有效的方法之一是采用太陽能建筑一體化?,F階段,太陽能建筑一體化主要有兩種體現形式:一是光熱建筑一體化,在建筑上安裝太陽能熱水器、采暖器等,將太陽能轉化為熱能再加以利用。二是光伏建筑一體化,即將太陽能光伏產品集成到建筑上,充分利用建筑外表面,安裝多種光伏發電產品,所產生的電能或供自身使用或并網輸送?!笆濉币巹澲兄该鳎禾柲芙ㄖ惑w化將成為必然趨勢,相比于太陽能熱利用一體化、太陽能光伏建筑一體化,PVT建筑一體化(即BIPVT)更容易實現。一方面,PVT集熱器的安裝容易實現建筑立面統一化,相比于分別安裝光伏板和集熱器的情況,更符合審美要求;一方面,BIPVT可實現多功能:即在滿足用戶冷、熱負荷需求的同時,可明顯降低建筑冷負荷。Anderson等人[17]將BIPVT應用于一新建建筑,研究中采用修正過的Hottel-Whillier模型對所建系統進行模擬,并通過實驗測量驗證其所建模型。研究發現:對系統熱電轉換效率有顯著影響的主要設計參數包括:翅片效率,光伏板與其支撐結構間的導熱性以及層壓方法。他們還指出BIPVT若采用價格較低的材料制成,比如彩涂鋼板,對其綜合效率影響不大。此外,他們發現用PVT取代屋頂材料,比直接在屋頂安裝的方式更經濟,并且可以利用BIPVT后方建筑閣樓內空氣的低速自然對流換熱替代專設的隔熱層。這種方法在一定程度上降低了BIPVT系統的成本,這對于該系統的推廣應用非常重要。Davidsson等人研發了多功能PVT太陽能窗,如圖所示。為降低系統的發電成本,設計中采用了傾動式的反射器將太陽輻射聚集到太陽能電池板,該反射器同時可有效控制進入建筑內的輻射總量,同時可明顯降低建筑通過窗戶的熱損失。研究結果表明:與垂直安裝的平板光伏模塊相比,單位面積光伏板年均產電高出35%。
          太陽能PVT窗
          綜上所述,PVT 集熱器技術,尤其是BIPVT技術,是一種具有前景的太陽能利用技術。為進一步實現該技術的工程應用及推廣,亟待解決的關鍵問題有兩方面:一方面提高其綜合轉換效率;另一方面降低其成本。提高PVT 集熱器的效率,從設計角度考慮,一方面需要保證其對太陽光譜的吸收性,即在提高太陽電池吸收率的同時, 還應盡量增加PVT集熱器對太陽光譜長波輻射的吸收;另一方面是改善PVT 集熱器部件的傳熱問題[5]。原材料選擇方面,則趨向于采用溫度系數低、價格便宜且高效的薄膜光伏電池。從應用角度考慮,需要根據不同用途選擇適合的集熱器形式。
          4.結論與展望
          隨著我國工業化和城市化進程的不斷加快,人們對居住環境要求的不斷提高,能源短缺、環境污染等問題成為人們關注的焦點。中國的能源消耗仍以煤炭為主,約占總耗量的69.5%,全球平均消耗僅為28.6%。眾所周知,煤炭消耗過程中釋放的二氧化碳遠遠超過其他能源。因此,相比于其他國家,中國的節能與環境之間具有更直接的關聯。
          建筑能耗是各行業中的耗能大戶,在我國已接近總能耗的30%,其中供熱通風空調的能耗已達建筑能耗的65%,因此減少這類系統能耗對建筑節能至關重要。許多專業人士及政策制定者都在這方面做出了很大努力,其中,PVT 集熱器的合理應用將成為行之有效的技術措施。如上所述,PVT技術仍是相對較新的技術,目前多數研究仍處于理論分析和實驗階段,實際工程應用中仍存在許多亟待解決的問題。為進一步推進該技術應用及產品商業化,一方面應提高系統綜合轉換效率,降低系統成本,另一方面,從應用角度出發,根據不同的用戶需求選擇合適的PVT集熱器,對于PVT 集熱器復合利用技術其研究重點有以下幾方面:PVT集熱器與建筑一體化的結構設計與優化問題; PVT復合系統的合理配置,運行模式和控制策略優化問題;PVT技術與其他可再生能源綜合利用等問題。因此,PVT技術有待進一步深入研究,使其成為人們普遍接受的實用技術,充分發揮其節約能源和環境保護。

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