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太阳能光伏光热综合利用

  太阳能光伏和太阳能光热是太阳能大规模应用的主要方式,然而到目前为止,太阳能光伏发电依然存在发电效率低、成本高的瓶颈,太阳能光伏光热综合利用(PV/T)是解决问题的重要途径,其核心是在太阳能光伏发电的同时回收多余热能并加以利用,这不仅对电池有冷却作用,可以提高发电效率和寿命,更重要的是实现"一机多能",大大提高太阳能综合利用效率,同时降低电热分别供应的成本。太阳能光伏光热综合利用不仅是近年来太阳能研究中最热门的研究领域之一,而且成为太阳能产业界备受关注的方向。

 

  太阳能光伏光热综合利用的概念

 

  太阳能光伏光热综合利用技术是将光伏电池与太阳能集热技术结合起来,在太阳能转化为电能的同时,由集热组件中的冷却介质带走电池的热量加以利用,同时产生电、热两种能量收益。国际上将太阳能光伏光热综合利用技术称为PV/T技术,该技术能够提高太阳能的综合利用效率,且能同时满足用户对高品质电力和低品质热能的需求。

 

  太阳能光伏光热综合利用的优点

 

  1)全光谱利用


  以硅材料为例,由于半导体禁带宽度的存在,当太阳辐射投射于太阳能电池表面时,只有能量大于禁带宽度的光子才能产生电子空穴对,能量小于禁带宽度的光子将不能对电池的电流作出贡献。晶硅的禁带宽度在1.2eV 左右,对应太阳辐射的波长为1.1μm 左右,而太阳辐射光谱中波长大于1.1μm 的能量占太阳辐射总能量的约40%,这也意味着这部分能量将不能产生电子空穴对。太阳能光伏光热综合利用技术则可将这部分能量转换成可利用的热能,实现太阳辐射光谱的全光谱利用,从而提高太阳能的综合利用效率。


  2)多功能利用


  对于绝大多数商用光伏电池,电池温度升高会引起光伏转换效率的下降,如果光伏电池吸收的热量受条件限制不能有效释放,反而会导致光伏电池温度升高,引起光伏转换效率的下降。理论与实验研究均表明,在较高的环境温度下,如果不对光伏组件采取冷却措施,其工作温度通常会高达60~90℃;而在有介质冷却的系统中,光伏电池的工作温度基本上在30~50℃。太阳能光伏光热综合利用技术在太阳能转化为电能的同时,由集热组件中的冷却介质带走电池的热量,产生电、热两种能量收益,从而提高太阳能的综合利用效率。


  3)降低成本


  太阳能光伏光热综合利用技术将太阳能光伏技术和太阳能光热技术结合起来,系统共用了玻璃盖板、框架、支撑构件等,实现了光伏组件和太阳能集热器的一体化,节省了材料、制作和安装成本;太阳能光伏光热综合利用技术有效控制了光伏电池工作温度,避免了电池高温工作,从而提高了光伏电池的运行寿命,也可以说是减少了硅材料的损耗,改善了其经济性。


  4)节约安装面积


  建筑是太阳能应用的最佳载体,但目前我国城市中大都是高层或小高层建筑,建筑围护结构可接收到阳光的面积是有限的。若采用太阳能光热技术和太阳能光伏技术两套系统,往往会存在安装位置、安装面积上的矛盾,从而对系统的设计、安装造成困难。采用太阳能光伏光热综合利用技术可以很好地解决这个问题。


  5)电/热输出灵活配置

  
  太阳能光伏光热综合利用技术能够提供电力、热水和采暖等多种能量形式,具备太阳能利用的多功能性,从而能够满足用户对不同能量的需求。可综合考虑投资成本及能量需求,在太阳能光伏光热综合利用技术应用中选择合适的光伏电池覆盖率,进行电力输出优先、热力输出为辅的组件选择和系统设计。


  6)易于建筑一体化


  太阳能光伏光热综合利用技术可以方便地实现建筑一体化,光伏热水-屋顶、光伏热水-墙、光伏空气多功能幕墙、光伏-Trombe 墙、光伏-热水窗、光伏-空气窗等一体化方案不仅利用围护结构发电供热,而且大大降低了建筑的空调负荷,获得了额外的收益。

 

  太阳能光伏光热综合利用技术的应用途径

 

  太阳能光伏光热综合利用技术具体应用途径有如下几个方面。


  1)电力-热水


  太阳能光伏光热综合利用技术最常见的应用途径是太阳能光伏热水系统,能够同时提供电力和热水,可广泛应用于建筑、工厂、农业等,特别是电力和热水需求量都较大的场所,如医院、宾馆等,与建筑一体化设计时,有太阳能光伏光热墙、太阳能光伏光热屋顶等。此时需要关注管路防冻问题及水路与电路之间的优化设计,避免相互干扰。


  2)电力-空气采暖


  太阳能光伏光热综合利用技术同时提供电力和采暖热空气也有很好的应用前景,太阳能光伏光热采暖系统针对寒冷地区或者特定用户、场地的需求,在提供电力的同时,提供热空气直接应用于建筑采暖。光伏-空气集热器、光伏多功能幕墙、光伏-Trombe 墙等可实现发电-空气采暖,相对而言,此类系统结构比较简单,可靠性最高,维护成本最低。


  3)电力-干燥


  传统干燥行业能耗巨大,污染严重,太阳能光伏光热综合利用技术针对某些用户、场地的特定需求,如工业干燥、农副产品干燥、烟草、药材、食品干燥等,可应用太阳能光伏干燥技术,能够同时提供电力和热空气,相比于电力-空气采暖,热空气的温度可能要求更高,湿度控制要求更加严格。特别是地域偏僻、电力不足地区,可通过系统自身提供的电力独立运行。


  4)电力-热泵

 
  热泵系统冬季运行时由蒸发器从低温环境的空气中吸热,导致表面温度过低而结霜,从而传热阻力增加,存在热泵系统性能下降的问题;而光伏电池发电则是多余的热能不能够被利用,导致电池温度升高,存在效率随温度下降的问题。太阳能光伏热泵系统根据太阳能光伏与热泵两个系统的特点,不仅利用太阳能发电,而且将光伏电池发电多余的热能提供给热泵系统,提高了蒸发温度,降低了电池温度,在提高光伏电力输出效率的同时,有效地提升了热泵系统的能效比。


  5)电力-通风


  针对夏热冬暖地区的建筑,全年冷负荷较高,且有新风需求,在实现太阳能利用与建筑结合时,系统作为建筑围护结构的一部分,电池温度上升不仅降低了电力输出效率,而且还增加了室内冷负荷。因此,可通过太阳能光伏光热综合利用技术与通风技术相结合,如太阳能光伏光热窗、太阳能光伏通风幕墙等,主要利用热压通风原理,光伏电池背面的空气被加热后,被热浮力带走,在降低光伏电池温度、提升发电效率的同时,降低室内冷负荷,实现建筑节能。


  6)电力-农业需求


  太阳能光伏光热综合利用技术与农业需求的结合,主要是指太阳能光伏光热综合利用技术在农业大棚、珍稀鱼类养殖等方面的应用,在光伏发电的同时,提高环境温度。如太阳能光伏农业大棚,全年利用太阳能产生电力,针对不同作物生长特点,调节大棚温度。夏季光伏的存在及有效通风,抑制了太阳辐射强度过大导致的温度过高;冬季有效利用光伏发电产生的多余热能改善了大棚热环境。


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