發(fā)電效率低？太陽能光伏光熱綜合利用看過來
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發(fā)布日期：2017-12-18
核心提示：
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)是將光伏電池與太陽能集熱技術(shù)結(jié)合起來，在太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時，由集熱組件中的冷卻介質(zhì)帶走電池的熱量加以利用，同時產(chǎn)生電、熱兩種能量收益。
太陽能光伏和太陽能光熱是太陽能大規(guī)模應(yīng)用的主要方式，然而到目前為止，太陽能光伏發(fā)電依然存在發(fā)電效率低、成本高的瓶頸，太陽能光伏光熱綜合利用(PV/T)是解決問題的重要途徑，其核心是在太陽能光伏發(fā)電的同時回收多余熱能并加以利用，這不僅對電池有冷卻作用，可以提高發(fā)電效率和壽命，更重要的是實現(xiàn)“一機多能”，大大提高太陽能綜合利用效率，同時降低電熱分別供應(yīng)的成本。太陽能光伏光熱綜合利用不僅是近年來太陽能研究中最熱門的研究領(lǐng)域之一，而且成為太陽能產(chǎn)業(yè)界備受關(guān)注的方向。
太陽能光伏光熱綜合利用的概念
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)是將光伏電池與太陽能集熱技術(shù)結(jié)合起來，在太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時，由集熱組件中的冷卻介質(zhì)帶走電池的熱量加以利用，同時產(chǎn)生電、熱兩種能量收益。國際上將太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)稱為PV/T技術(shù)，該技術(shù)能夠提高太陽能的綜合利用效率，且能同時滿足用戶對高品質(zhì)電力和低品質(zhì)熱能的需求。
太陽能光伏光熱綜合利用的優(yōu)點
1)全光譜利用
以硅材料為例，由于半導(dǎo)體禁帶寬度的存在，當(dāng)太陽輻射投射于太陽能電池表面時，只有能量大于禁帶寬度的光子才能產(chǎn)生電子空穴對，能量小于禁帶寬度的光子將不能對電池的電流作出貢獻(xiàn)。晶硅的禁帶寬度在1.2eV左右，對應(yīng)太陽輻射的波長為1.1μm左右，而太陽輻射光譜中波長大于1.1μm的能量占太陽輻射總能量的約40%，這也意味著這部分能量將不能產(chǎn)生電子空穴對。太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)則可將這部分能量轉(zhuǎn)換成可利用的熱能，實現(xiàn)太陽輻射光譜的全光譜利用，從而提高太陽能的綜合利用效率。
2)多功能利用
對于絕大多數(shù)商用光伏電池，電池溫度升高會引起光伏轉(zhuǎn)換效率的下降，如果光伏電池吸收的熱量受條件限制不能有效釋放，反而會導(dǎo)致光伏電池溫度升高，引起光伏轉(zhuǎn)換效率的下降。理論與實驗研究均表明，在較高的環(huán)境溫度下，如果不對光伏組件采取冷卻措施，其工作溫度通常會高達(dá)60～90℃；而在有介質(zhì)冷卻的系統(tǒng)中，光伏電池的工作溫度基本上在30～50℃。太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)在太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時，由集熱組件中的冷卻介質(zhì)帶走電池的熱量，產(chǎn)生電、熱兩種能量收益，從而提高太陽能的綜合利用效率。
3)降低成本
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)將太陽能光伏技術(shù)和太陽能光熱技術(shù)結(jié)合起來，系統(tǒng)共用了玻璃蓋板、框架、支撐構(gòu)件等，實現(xiàn)了光伏組件和太陽能集熱器的一體化，節(jié)省了材料、制作和安裝成本；太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)有效控制了光伏電池工作溫度，避免了電池高溫工作，從而提高了光伏電池的運行壽命，也可以說是減少了硅材料的損耗，改善了其經(jīng)濟(jì)性。
4)節(jié)約安裝面積
建筑是太陽能應(yīng)用的最佳載體，但目前我國城市中大都是高層或小高層建筑，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可接收到陽光的面積是有限的。若采用太陽能光熱技術(shù)和太陽能光伏技術(shù)兩套系統(tǒng)，往往會存在安裝位置、安裝面積上的矛盾，從而對系統(tǒng)的設(shè)計、安裝造成困難。采用太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)可以很好地解決這個問題。
5)電/熱輸出靈活配置
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)能夠提供電力、熱水和采暖等多種能量形式，具備太陽能利用的多功能性，從而能夠滿足用戶對不同能量的需求?？删C合考慮投資成本及能量需求，在太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)應(yīng)用中選擇合適的光伏電池覆蓋率，進(jìn)行電力輸出優(yōu)先、熱力輸出為輔的組件選擇和系統(tǒng)設(shè)計。
6)易于建筑一體化
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)可以方便地實現(xiàn)建筑一體化，光伏熱水-屋頂、光伏熱水-墻、光伏空氣多功能幕墻、光伏-Trombe墻、光伏-熱水窗、光伏-空氣窗等一體化方案不僅利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)電供熱，而且大大降低了建筑的空調(diào)負(fù)荷，獲得了額外的收益。
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)具體應(yīng)用途徑有如下幾個方面。
1)電力-熱水
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)最常見的應(yīng)用途徑是太陽能光伏熱水系統(tǒng)，能夠同時提供電力和熱水，可廣泛應(yīng)用于建筑、工廠、農(nóng)業(yè)等，特別是電力和熱水需求量都較大的場所，如醫(yī)院、賓館等，與建筑一體化設(shè)計時，有太陽能光伏光熱墻、太陽能光伏光熱屋頂?shù)?。此時需要關(guān)注管路防凍問題及水路與電路之間的優(yōu)化設(shè)計，避免相互干擾。
2)電力-空氣采暖
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)同時提供電力和采暖熱空氣也有很好的應(yīng)用前景，太陽能光伏光熱采暖系統(tǒng)針對寒冷地區(qū)或者特定用戶、場地的需求，在提供電力的同時，提供熱空氣直接應(yīng)用于建筑采暖。光伏-空氣集熱器、光伏多功能幕墻、光伏-Trombe墻等可實現(xiàn)發(fā)電-空氣采暖，相對而言，此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，可靠性最高，維護(hù)成本最低。
3)電力-干燥
傳統(tǒng)干燥行業(yè)能耗巨大，污染嚴(yán)重，太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)針對某些用戶、場地的特定需求，如工業(yè)干燥、農(nóng)副產(chǎn)品干燥、煙草、藥材、食品干燥等，可應(yīng)用太陽能光伏干燥技術(shù)，能夠同時提供電力和熱空氣，相比于電力-空氣采暖，熱空氣的溫度可能要求更高，濕度控制要求更加嚴(yán)格。特別是地域偏僻、電力不足地區(qū)，可通過系統(tǒng)自身提供的電力獨立運行。
4)電力-熱泵
熱泵系統(tǒng)冬季運行時由蒸發(fā)器從低溫環(huán)境的空氣中吸熱，導(dǎo)致表面溫度過低而結(jié)霜，從而傳熱阻力增加，存在熱泵系統(tǒng)性能下降的問題；而光伏電池發(fā)電則是多余的熱能不能夠被利用，導(dǎo)致電池溫度升高，存在效率隨溫度下降的問題。太陽能光伏熱泵系統(tǒng)根據(jù)太陽能光伏與熱泵兩個系統(tǒng)的特點，不僅利用太陽能發(fā)電，而且將光伏電池發(fā)電多余的熱能提供給熱泵系統(tǒng)，提高了蒸發(fā)溫度，降低了電池溫度，在提高光伏電力輸出效率的同時，有效地提升了熱泵系統(tǒng)的能效比。
5)電力-通風(fēng)
針對夏熱冬暖地區(qū)的建筑，全年冷負(fù)荷較高，且有新風(fēng)需求，在實現(xiàn)太陽能利用與建筑結(jié)合時，系統(tǒng)作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，電池溫度上升不僅降低了電力輸出效率，而且還增加了室內(nèi)冷負(fù)荷。因此，可通過太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)與通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，如太陽能光伏光熱窗、太陽能光伏通風(fēng)幕墻等，主要利用熱壓通風(fēng)原理，光伏電池背面的空氣被加熱后，被熱浮力帶走，在降低光伏電池溫度、提升發(fā)電效率的同時，降低室內(nèi)冷負(fù)荷，實現(xiàn)建筑節(jié)能。
6)電力-農(nóng)業(yè)需求
太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)與農(nóng)業(yè)需求的結(jié)合，主要是指太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)在農(nóng)業(yè)大棚、珍稀魚類養(yǎng)殖等方面的應(yīng)用，在光伏發(fā)電的同時，提高環(huán)境溫度。如太陽能光伏農(nóng)業(yè)大棚，全年利用太陽能產(chǎn)生電力，針對不同作物生長特點，調(diào)節(jié)大棚溫度。夏季光伏的存在及有效通風(fēng)，抑制了太陽輻射強度過大導(dǎo)致的溫度過高；冬季有效利用光伏發(fā)電產(chǎn)生的多余熱能改善了大棚熱環(huán)境。