一種新型熱電互補太陽灶設計

周冰 張永萍 嚴桂林

摘要：當今，新能源技術的應用已日益廣泛，尤其太陽能的利用已經非常普遍，太陽能利用有光伏發電、熱發電、光熱利用等等，太陽灶在我國已經是非常普及的一種太陽能熱利用的設備，尤其是在廣大農村。但由于其只能供熱，且無法實時跟蹤陽光，效率較低。本項目是一種新型的熱電互補太陽灶。由灶體、砷化鎵太陽電池、蓄電池、換熱器、蓄水箱、自動跟蹤裝置組成。太陽灶匯聚陽光照射到砷化鎵太陽電池上，發電并儲存到蓄電池中，通過換熱器給電池散熱的同時，循環加熱其中的冷水，充分利用砷化鎵電池發電所產生的余熱，也可以直接放置水壺鍋等烹飪食物的器具，進行直接加熱。使用自動跟蹤裝置，對太陽方位進行實時追蹤，實現最大功率輸出。整個系統效率高、用途廣、成本較低、運行平穩、功能易于實現，有較好的市場推廣應用潛力。

關鍵詞：太陽灶;聚光;光伏發電;熱電互補

1.設計背景

21世紀以來，能源危機日益嚴峻，煤氣漲價、電價上升、油價連續走高，人們逐漸把目光轉向了太陽能的利用上。而在緩解農村能源緊缺、保護農業生態環境方面，太陽灶起到了很好的作用。

太陽灶的熱量高，太陽灶匯集的光線溫度相當于1000瓦功率的電爐，1千克生水僅用8分鐘即可煮沸，節能環保，對環境和人體沒有任何污染;操作簡單，成本較低，在任何有陽光的地區都可以使用。

現有太陽灶的使用對環境有一定的依賴，只能在白天晴天使用，陰雨雪天和夜晚無法使用。總體熱性能不高，多數時刻的太陽高度角，距離“設計初始太陽高度角”較遠，斜射角較大，散光嚴重，且無法及時跟蹤陽光，利用率較低。

本項目將普通聚光太陽灶與砷化鎵太陽電池相結合，并且增加自動跟蹤裝置，實時跟蹤陽光，提高系統效率。在將太陽能轉換為熱能和電能的同時，通過主動制冷的方式，對太陽電池快速散熱，同時，充分利用熱能產生熱水，最終實現太陽能光熱和光伏的綜合利用，充分發揮整體效能。

2.設計思路

2.1總體設計思路

將砷化鎵太陽電池與太陽灶相結合，不僅能夠匯聚陽光加熱介質，在烹飪時間之外，利用砷化鎵電池發電并存入蓄電池為控制裝置及其他用電器供電;配置換熱器與蓄水箱，充分利用砷化鎵電池發電時所產生的余熱;使用自動跟蹤裝置，實時跟蹤陽光，從而使系統效率得到提升。

2.2單元設計

（1）灶體

在考慮成本的基礎上，仿照通用的聚光太陽灶，使用菱鎂復合材料，強度高、價格低、成形性好、方便運輸;反光材料使用鍍鋁薄膜，反射率高、使用更換方便。

（2）光電轉換

光電轉換部分采用砷化鎵太陽電池，與換熱器相結合，在轉換電能的同時將熱量傳輸至換熱器，給電池散熱的同時充分利用發電所帶來的熱能，使換熱器內冷水的溫度得到提升。

聚光光伏所利用的太陽電池是技術的重心和根本，初期大多使用晶體硅太陽電池。因為砷化鎵多結電池光電轉換效率高，而且具備很好的高溫特征可實現高倍聚光，目前國際上更趨向于使用其使高倍聚光光伏技術得到快速發展。與硅晶體太陽能電池和薄膜電池相比，砷化鎵太陽能電池可采用聚光技術和光追蹤技術，優勢突出。

電池和冷卻介質間優良的熱傳導性和電絕緣性以及電池工質的滲漏問題是電池水冷必須解決的主要問題。

采用可移動裝置，在裝置背面安裝砷化鎵電池，接收太陽灶匯聚的陽光進行發電，在裝置背面安裝換熱器，在給砷化鎵電池散熱的同時加熱換熱器內由水泵循環泵送的冷水，并儲存到蓄水箱中，供用戶日常使用，也可以將砷化鎵電池移動到支架后方，在支架上部直接放置水壺鍋等烹飪食物的器具，使所匯聚陽光直射加熱容器底部，實現快速加熱，達到光伏與光熱的同時利用。

（3）自動跟蹤裝置

使用太陽能自動跟蹤器控制直流減速電機轉動，達到實時跟蹤陽光的目的，大大提高太陽能的利用率。跟蹤精度高，平均跟蹤精度≤1度，一分鐘跟蹤一次，具有自動運行、手動運行、參數設定三種狀態可供選擇，具有手動控制功能，方便跟蹤系統調試、維護，有效日照時間內全程自動跟蹤控制，一天跟蹤完成后，自動回到初始設定位置。

（4）主體

主機部分主要用來放置儲能蓄電池、充電控制器和陽光跟蹤控制系統，設置在灶體下部，避免陽光照射，也可降低灶體重心，穩定灶體。并且蓄電池中儲存的電能可為自動跟蹤裝置，水泵等設備中的組件進行供電，大大減少連接線路的復雜程度以及太陽灶使用的局限性，也可以為庭院燈等小型用電器進行供電。

3.存在的問題

太陽灶的成功設計與使用使人們能更好地利用太陽能，但本研究所使用的砷化鎵電池中的砷熔點僅有615℃，因此砷為蒸汽，劇毒。砷在空氣中的最高容許濃度為0.0003mg/l。在空氣中加熱后會發生氧化還原反應，產生三氧化二砷（砒霜）的劇毒物質，致死量0.1g。因此砷化鎵后期的回收與處理問題十分嚴峻。此外，自動跟蹤裝置的使用雖然大大提高發電量，但長期處于室外使自動跟蹤裝置的保護與維修顯得十分重要。

4.前景與展望

計劃研究的太陽灶將砷化鎵太陽電池與太陽灶相結合，實現太陽灶的熱電互補;配置換熱器與蓄水箱，給電池散熱的同時，充分利用其發電時所產生的余熱;使用太陽能自動跟蹤器控制直流減速電機轉動，達到實時跟蹤陽光的目的，大大提高太陽能的利用率;并且在烹飪時間之外，利用砷化鎵太陽電池發電并存入蓄電池為控制裝置供電，也可為庭院燈等小型用電器供電。目前市場上的太陽灶功能單一，且熱效率低，但潛在市場很大。我們對太陽灶的改進技術成本較低，效率更高，用途更廣，因此有著明顯的競爭優勢。