太陽能光電-光熱綜合利用系統

魏 葳 駱仲泱 趙佳飛，2壽春暉 張艷梅 武婷婷 倪明江

1浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室2大連理工大學海洋能源利用與節能教育部重點實驗室

引言

隨著節能減碳問題的日益緊迫，可再生能源的開發利用受到了越來越多的關注。而太陽能作為一種儲量巨大，分布廣泛，清潔安全的新能源，已經在世界范圍引起了廣泛的重視。太陽輻射到達地球表面的能量高達4×1015MW，約為全球能耗的2000倍。目前太陽能的主要利用方式有：太陽能光伏發電、太陽能熱發電、太陽能制氫、太陽煙囪、太陽能制冷、太陽能熱水器等。其中太陽能光伏利用技術已經日益成熟，從光伏電站到太陽能路燈，太陽能光伏技術已經被廣泛應用。但在太陽能光伏利用方面仍存在兩個亟待解決的問題：光伏發電成本較高以及光電轉化效率相對較低。工業生產的晶體硅太陽電池轉化效率大約在16%～17%，轉化效率較高的產品也僅能達到約22%。而在成本方面，德國、日本、美國等太陽能產業發達的國家都制定不同的政府補貼政策以支持光伏產業的發展。我國按太陽能發電成本以及火電上網價格計算，太陽能發電每度仍需補貼1元。[1-3]

當太陽光照射到太陽能光伏電池上時，只有能量大于其半導體材料的禁帶寬度的部分光子能量能夠轉化為電能。此外的能量不僅不能轉化為電能輸出，還會變為廢熱造成光電轉換效率下降。由于這一特性和太陽能光伏利用的現存問題，本文提出了太陽能光電-光熱綜合利用的思路，并且有別于傳統的太陽能電熱聯供系統，此思路基于對太陽光的分波段利用，將光電單元和光熱單元分離。本系統在很大程度上緩解聚光光伏系統中的熱管理問題的同時，通過優化光電單元及光熱單元的波段分配方案，能夠進一步提高系統效率。

1 通過納米流體實現太陽能光電-光熱綜合利用

通過調節納米流體的納米顆粒種類、顆粒濃度、顆粒形狀、基液種類，基液酸堿度等參數，可以得到不同的流體輻射特性。因此，本文基于納米流體設計了新型的太陽能光電-光熱綜合利用系統。

相對于以水為上層工質的傳統的太陽能電熱聯用系統，此系統基于直接吸收技術（Direct Absorption Collection），能夠靈活調節上層工質的輻射特性實現對太陽光的全光譜利用。同時，光熱單元不再受制于光電單元，由納米流體直接吸收太陽輻射部分能量進行光熱轉換，使得得到高溫熱能成為可能。流體a為能夠與PV板的太陽光利用波段良好匹配實現對太陽能全光譜利用的具有特定輻射特性的納米流體。納米流體b是基于納米流體同時具有的良好的換熱特性而應用在系統中的冷卻工質，也可考慮將納米流體a先流經此層進行預熱然后進入上層吸收部分太陽輻射。圖中納米流體a直接吸收部分太陽光能量進行光熱轉換，透過納米流體a部分的能量照射在光伏電池板上進行光電轉換。

1.1 太陽能光電-光熱綜合利用系統對納米流體輻射特性的期望

如圖2，AM1.5的太陽輻射波長主要分布在200nm-2500nm范圍內。而單晶硅太陽電池能夠響應的太陽光波長主要分布在400nm-1100nm范圍內。基于直接吸收技術（DAC），本文所提出的通過納米流體實現的太陽能聚光分頻利用系統期望納米流體能夠直接吸收波長小于400nm，或大于1100nm的太陽光輻射轉化為熱能，而將波長在400nm-1100nm范圍內的太陽光透過供給光伏電池轉化為電能。因此，本系統對納米流體輻射特性的期望為：在波長為400nm-1100nm范圍內，其透射率趨近于1，在其余范圍內，其吸收率趨近于1。同理，在其他光伏系統中，參考光伏電池能夠響應的太陽光波段，可以確定適用于該系統的納米流體的輻射特性期望。

1.2 納米流體的制備及輻射特性測試

作為納米流體輻射特性研究的基礎，本文分別采用一步法和兩步法制備了穩定的納米流體。圖3

圖1為本文提出的通過納米流體實現太陽能光電-光熱綜合利用的系統結構示意圖。圖中納米為兩種制備方法的示意圖。本文采用醇介質中氨催化水解正硅酸乙酯，通過控制反應物與催化劑氨水的玻璃來制備不同粒徑分布的單分散二氧化硅納米流體[4]。對比兩種制備方法，一步法的分散效果和粒徑控制更好，而兩步法為物理分散，未引入雜質，且處理量較大。

本文借助UV-3150型紫外可見紅外分光光度計對不同顆粒粒徑，不同顆粒濃度等不同參數的納米流體的透射率進行了測量和分析。摻雜顆粒的等效粒徑較大的流體其透射率較高，且吸收峰值所對應的波長略小。隨著顆粒粒徑的減小，其比表面積增大，處于表面的原子數越來越多，增大了納米材料的活性，在紅外光場的作用下，原子和電子運動加劇，促使磁化、極化和傳導運動，使光能轉化為熱能，從而增加了對光的吸收。隨著顆粒摻雜濃度的升高，顆粒對光的散射加強，流體的透射率明顯下降。

1.3 系統效率的理論計算

基于彌散介質理論和遺傳算法，根據系統對納米流體輻射特性的期望，建立了反問題研究模型，尋找能夠滿足特定輻射特性的納米流體組分及其配比。并在此基礎上建立了此系統的輻射傳遞模型和能量平衡模型，對系統在不同聚光條件下的性能進行了綜合分析。將通過理論計算尋找到的特定納米流體和水分別應用于電熱聯供系統后觀察系統效率與光強之間的關系。可以看到，相對于水，通過納米流體實現的太陽能光電-光熱綜合利用系統光熱單元效率明顯較高。光熱單元溫度明顯高于以水為工質的系統。而隨光強增強，其光電單元轉化效率降低小于3%，其程度遠小于以水為工質的系統。對比系統有效輸出能效率，同樣可以看到，在高倍聚光條件下，采用納米流體的系統優勢更加明顯。

2 通過光學薄膜實現太陽能分頻利用

相對納米流體在分波段利用方面的探索，在分光技術方面，光學薄膜技術已經相對成熟。因此本文也采用光學薄膜實現太陽能分頻利用的另一系統設計。

目前薄膜分頻技術主要有復合干涉薄膜技術、棱鏡折射分光技術、全息薄膜技術、熒光分光技術以及流體吸收層技術等。本文采用復合干涉薄膜對太陽輻射進行分頻，同時通過采用較復雜的多層純電介質層代替金屬層，改善了傳統的金屬－電介質多層干涉薄膜吸收損失較大的問題。

由于完全分離了光電單元和光熱單元，光熱利用形式靈活多樣。可以用于生活熱水，可以直接供給溫差電池熱端，也可以用于斯特林發動機或太陽能熱發電電廠進行發電。

2.1 太陽能聚光分頻利用系統的波段分配方案

如圖4，圖中為一單晶硅太陽電池的外量子效率曲線，通過公式（1）可以計算得到該電池的效率曲線[5]。在該系統中，熱利用部分可以是多種形式。以光熱轉化效率在全波長范圍內為8%為例，可得到光熱部分效率曲線和光電部分效率曲線的兩個交點，如圖所示。因此，將光熱轉換效率高于光電轉換效率的波長范圍內的太陽光（λ＜420nm，λ＞1120nm）透射給光熱單元，將光電轉換效率較高的部分（420nm＜λ＜1120nm）反射給光伏電池。即本系統的波長分配方案。

2.2 光學薄膜的設計及制作

在太陽能分頻利用系統中，為減少復雜系統帶來的光學損失，要求分頻薄膜在特定波段要實現高的反射率或透射率。基于此要求，本文設計和制造了兩種匹配于不同熱利用形式的系統的光學薄膜。它們的透射比與波長的關系如圖5所示。

以可以將波長在1100nm以下的輻射能量反射、波長在1100nm以上的輻射能量透射的分頻薄膜為例，該薄膜采用SiO2－TiO2在玻璃基底上交替涂層，圖6為UV-3101分光光度計的測試結果。測試結果顯示，分頻薄膜在450nm-800nm波段實現了90%以上的高反射率，在1200nm以上波段實現了90%以上的高透射率。入射角度對復合干涉分頻薄膜的工作性能有一定影響。

2.3 太陽能聚光分頻利用系統的系統效率

1）理論效率

根據2.1得到的波段分配方案，參考光伏電池及光熱單元在特定波長下的轉化效率，通過公式（2）能夠計算得到系統的理論效率。

以下面兩套分配方案為例：

（1）將波長在1100nm以下的輻射能量反射給光伏電池，波長在1100nm以上的輻射能量透射給溫差電池。假設光伏電池的轉化效率如圖4，溫差電池的光熱電轉化效率為8%。

（2）將波長在600nm到1100nm之間的輻射能量反射給光伏電池，波長在600nm以下及1100nm以上的輻射能量透射給太陽能熱發電系統。假設光伏電池的轉化效率如圖4，太陽能熱發電部分的能量利用率為20%。

其系統的理論效率如圖7，圖8。可以看到，分配方案一在分頻綜合利用后系統效率可以達到15.2%，而分配方案二則可以提升至20.2%，相對單純的光電單元的15%的效率有比較明顯的提升。

2）實驗

以理論計算為基礎，本文對分配方案（1）進行了系統效率的室外實驗驗證。通過調節菲涅爾透鏡和光電、光熱單元之間的距離調節聚光倍數。在不放置分光片和分光片45°放置條件下，分別對光伏組件的U-I曲線進行了測試。測試結果如圖9。

圖中聚光光伏及聚光分頻光伏兩部分的效率為測試結果。聚光分頻光伏-熱電聯用系統效率中光熱單元效率為理論值。可以看到，小于15倍聚光時，在相同冷卻條件下，分頻利用對系統效率有一定提升。將聚光分頻光伏系統與效率8% 的溫差電池聯用，可以在較大聚光范圍內實現系統效率的提升。而實驗中電池本身性能不理想是造成較高聚光倍數下，系統效率下降較快的主要原因。

3 結論

綜上，通過對太陽能光電-光熱綜合利用能夠有效提高對太陽能的利用率。基于直接吸收概念，將納米流體流經電池板上層實現電熱聯用，相對于傳統的電熱聯用系統，將光電單元和光熱單元分離，在實現對太陽光的全光譜利用的同時有望獲得高溫熱能。而借助已經相對成熟的光學薄膜技術能夠更好的實現光譜分割。本文通過實驗和理論計算驗證了光電-光熱綜合利用對系統效率的提升。

[1]趙玉文，太陽能利用的發展概況和未來趨勢，中國電力，2003，36（9）：63-69

[2]趙利勇，太陽能利用技術與發展，能源與環境，2007，04：55-58

[3]姚偉，太陽能利用與可持續發展，中國能源，2005，27（2）：46-47

[4]霍玉秋，翟玉春，醇鹽水解沉淀法制備二氧化硅納米粉，微納電子技術，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