浅谈聚光型太阳能热电联产系统

文 // 杨万伟 程家墅 刘杰 蔡修青 中国十七冶集团

浅谈聚光型太阳能热电联产系统

文 // 杨万伟 程家墅 刘杰 蔡修青 中国十七冶集团

日益增长的能源消费，特别是煤炭、石油等化石燃料的大量使用，给环境和全球气候带来了巨大的影响。全世界资源紧缺和能源成本持续增长使众多发达国家着眼于发展可再生能源，甚至将其提升到了关乎国家能源安全的战略地位。

1 光伏热电联产背景

光伏发电作为一种应用广泛的可再生能源利用方式，一直都是世界各国重点研究的方向。而现在国内外主要的光伏发电组件还是单晶硅、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜电池，虽然这些技术发展较为成熟，系统的成本也比较低，但是它们的光电转换效率提升的潜力不够，单晶硅太阳能电池的转化效率为19%，而第三代的多晶硅太阳能电池效率18%左右。因此，由高效的聚光光伏组件组成的聚光型太阳能热电联产系统逐渐成为国内外研究的焦点。

聚光型太阳能热电联产系统具有输出电功率密度高，稳定性好，可靠高效等特点。国内相关的研究多集中在一些高等院校的实验室，近两年才有少量企业开发相关的装置。光伏-太阳能热泵系统通过热泵循环，稳定了太阳能光热转换的输出温度，同时维持光伏板在较低的工作温度下工作，提高了光电转换效率。 厦门多科莫太阳能科技有限公司于2010年开发了PV/T相关的一些系统，采用的是反射镜聚光的方式，聚光比较低，仅为5左右，光伏电池板与换热装置是叠层结构，最高可提供50℃的热水，整个系统的太阳能利用效率约45%，造价约20元/W。

2 光伏热电联产技术

光伏热电联产技术分为非聚光型和聚光型。非聚光型热电联产系统的供热密度通常是低于800W/m2，温度不超过40℃，只能用于居民热水供应或热泵式空调。同时，为了保证供热功率，换热器的面积较大，成本相应较高。聚光型热电联产系统由于高聚光比(可以达到500倍以上)的效果，热流密度可以达到数百千瓦以上，适用范围更加广泛，发电和供热效率也更高，但聚光型热电联产系统的技术门槛和运行维护成本均高于非聚光型。

2.1 非聚光型太阳能热电联产系统的发展及应用

当太阳光照射到光伏电池板上时，只有能量大于其半导体材料禁带宽度的部分光子能量可以转化为电能，主要是在可见光及紫外波段附近的能量，此外的能量不仅不能转化为电能，还会变为废热造成光电转化效率下降，尤其是红外波段所引起的热效应。针对这个问题，太阳能光伏/光热综合利用技术应运而生。太阳光直接入射光伏电池板，能量一部分转化为电能；另一部分则转化为电池板本身的热能，设计热能利用设备，安装于电池板的背面，对这部分废热进行利用，不仅降低了光伏板的温度，同时还提高了整个系统的太阳能利用效率。纯光伏发电的热电联产原理比较简单，即利用光伏电池受照射后的温度升高来加热热水。目前，国外已有光伏热电联产系统的应用示范，大多是与建筑物结合使用，光伏电池板提供电能，其背面的换热器为建筑物供热。

图1 聚光型太阳能热电联产系统原理框图

2.2 聚光型太阳能热电联产系统的发展及应用

聚光型太阳能热电联产的技术研究起始于20世纪80年代后期，随着研究技术的日益深入，近几年也取得较大的进展。世界各国开展了很多相关的研究项目。澳大利亚国立大学可再生研究系统中心曾研制出了一种由具有37倍聚光比的槽式抛物面PV/T集热器组成的太阳能热电联产系统，该系统能量的综合利用效率可达69%。我国工程科学学院的陈则韶教授对太阳能聚光分频利用热电联产的机理进行了研究，得出了太阳能光谱有效能函数以及太阳能聚光分频利用热电联产的设计方案，对聚光型太阳能热电联产系统技术的应用发挥一定作用。

3 聚光型太阳能热电联产系统

聚光型太阳能热电联产系统是在聚光光伏发电系统的基础上加入了循环水泵、水管和水箱等部件，组成了新的热电联供系统，其系统原理见图1。这种系统既能提供电能，又能提供热能。具有高效率、可靠性、实用性、经济性和低噪音等特点。这个系统主要是通过自动追踪器实时追踪，实时地保持着聚光器的主光轴与太阳光的入射光线平行，聚光器将太阳光聚焦到能量转换器上，在能量转换器里，太阳能一部分转化为电能，通过汇流柜可以为城镇小区居民提供生活用电或者并网；一部分转化成热能，循环水泵将水箱里的冷水通过水管源源不断经过能量转换器形成热水，存储在水箱中，为城镇小区居民提供生活用水。聚光型太阳能热电联产系统这种应用还是比较广泛的，当然，也可以集中起来运作可以将发出来的电能并入电网。

因此，聚光型太阳能热电联产系统主要由自动追踪器、聚光器、能量转换器、水管、水箱、循环水泵和汇流柜等部分构成（图2）。自动追踪器是西门子PLC或者单片机等核心器件构成的，它通过天文算法实时精确的追踪着太阳；聚光器主要起对太阳光聚光的作用，将太阳光聚焦到能量转换器上。能量转换器是聚光型太阳能热电联产系统的核心部件，里面含有辐射器、滤光器、散热器、光伏电池等。辐射器和滤光器主要是将太阳光照射在光伏电池转换成电能。散热器主要有两方面作用：一方面是对光伏电池进行散热；另一方面是对冷水进行加热，从而将冷水变成热水，转换为热能。循环水泵的作用是用于冷水在水管、水箱里循环的动力；水箱是用来提供冷水和存储热水的，便于用户使用。

4 聚光电热联产布局示意图

图2 聚光型太阳能热电联产系统装配图

图3 聚光型太阳能热电联产系统布局图

图3所示的集中式的电热联产设计，具有以下优点：集中式安装和建造可以节约成本；整体布局、规划、设计，更有利于施工和安装；有利于统一的管理和监控。假设，在一个社区中，每一栋楼配置上一套这样的系统，就可以满足整个一栋楼的热水的供应，同时也方便管理。

5 总结

聚光型PV/T系统可以通过成本比较低的聚光器的聚光，减少成本相对比较高的太阳能电池组件的面积，有助于节省土地，单位面积上面的太阳能利用率更高，并且可以利用冷却聚光器产生的预热提供热水。

此外，电热联产系统应用于居民家庭目前还难以实现，主要原因是成本较高。因此还是要集合多个追踪器，做成一整套设备，集中发电、集中制冷，这样可以降低成本。

目前，这种方式的电热联产还存在着一些问题：第一，我们所使用的追踪器的追踪支架相对比较复杂，对于制造工艺和安装要求比较高；第二，因为采用的是聚光，所有的热量集中到一点，如果冷却系统没有及时将热量带走，很有可能会烧毁发电电池；第三，因为是聚光型太阳能热电联产系统，那就必须时刻追踪太阳，这对于控制器太阳追踪系统的追踪精度要求比较高。因此，发展低成本的小型、低倍聚光比的聚光型PV系统，是促进其市场竞争力的有效途径之一。