發(fā)電效率低？太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用看過(guò)來(lái)
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發(fā)布日期：2017-12-18
核心提示：
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)是將光伏電池與太陽(yáng)能集熱技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，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(shí)產(chǎn)生電、熱兩種能量收益。
太陽(yáng)能光伏和太陽(yáng)能光熱是太陽(yáng)能大規(guī)模應(yīng)用的主要方式，然而到目前為止，太陽(yáng)能光伏發(fā)電依然存在發(fā)電效率低、成本高的瓶頸，太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用(PV/T)是解決問(wèn)題的重要途徑，其核心是在太陽(yáng)能光伏發(fā)電的同時(shí)回收多余熱能并加以利用，這不僅對(duì)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(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”，大大提高太陽(yáng)能綜合利用效率，同時(shí)降低電熱分別供應(yīng)的成本。太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用不僅是近年來(lái)太陽(yáng)能研究中最熱門的研究領(lǐng)域之一，而且成為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)界備受關(guān)注的方向。
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用的概念
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)是將光伏電池與太陽(yáng)能集熱技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，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(shí)產(chǎn)生電、熱兩種能量收益。國(guó)際上將太陽(yáng)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(yáng)能的綜合利用效率，且能同時(shí)滿足用戶對(duì)高品質(zhì)電力和低品質(zhì)熱能的需求。
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用的優(yōu)點(diǎn)
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(yáng)輻射投射于太陽(yáng)能電池表面時(shí)，只有能量大于禁帶寬度的光子才能產(chǎn)生電子空穴對(duì)，能量小于禁帶寬度的光子將不能對(duì)電池的電流作出貢獻(xiàn)。晶硅的禁帶寬度在1.2eV左右，對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)為1.1μm左右，而太陽(yáng)輻射光譜中波長(zhǎng)大于1.1μm的能量占太陽(yáng)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(duì)。太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射光譜的全光譜利用，從而提高太陽(yáng)能的綜合利用效率。
2)多功能利用
對(duì)于絕大多數(shù)商用光伏電池，電池溫度升高會(huì)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(huì)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(shí)驗(yàn)研究均表明，在較高的環(huán)境溫度下，如果不對(duì)光伏組件采取冷卻措施，其工作溫度通常會(huì)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(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，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(yáng)能的綜合利用效率。
3)降低成本
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)將太陽(yáng)能光伏技術(shù)和太陽(yáng)能光熱技術(shù)結(jié)合起來(lái)，系統(tǒng)共用了玻璃蓋板、框架、支撐構(gòu)件等，實(shí)現(xiàn)了光伏組件和太陽(yáng)能集熱器的一體化，節(jié)省了材料、制作和安裝成本；太陽(yáng)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(yùn)行壽命，也可以說(shuō)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(yáng)能應(yīng)用的最佳載體，但目前我國(guó)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(yáng)光的面積是有限的。若采用太陽(yáng)能光熱技術(shù)和太陽(yáng)能光伏技術(shù)兩套系統(tǒng)，往往會(huì)存在安裝位置、安裝面積上的矛盾，從而對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝造成困難。采用太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
5)電/熱輸出靈活配置
太陽(yáng)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(yáng)能利用的多功能性，從而能夠滿足用戶對(duì)不同能量的需求。可綜合考慮投資成本及能量需求，在太陽(yáng)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(jì)。
6)易于建筑一體化
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)可以方便地實(shí)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(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)具體應(yīng)用途徑有如下幾個(gè)方面。
1)電力-熱水
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)最常見的應(yīng)用途徑是太陽(yáng)能光伏熱水系統(tǒng)，能夠同時(shí)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(chǎng)所，如醫(yī)院、賓館等，與建筑一體化設(shè)計(jì)時(shí)，有太陽(yáng)能光伏光熱墻、太陽(yáng)能光伏光熱屋頂?shù)?。此時(shí)需要關(guān)注管路防凍問(wèn)題及水路與電路之間的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免相互干擾。
2)電力-空氣采暖
太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)同時(shí)提供電力和采暖熱空氣也有很好的應(yīng)用前景，太陽(yáng)能光伏光熱采暖系統(tǒng)針對(duì)寒冷地區(qū)或者特定用戶、場(chǎng)地的需求，在提供電力的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)發(fā)電-空氣采暖，相對(duì)而言，此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)針對(duì)某些用戶、場(chǎng)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(yáng)能光伏干燥技術(shù)，能夠同時(shí)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(guò)系統(tǒng)自身提供的電力獨(dú)立運(yùn)行。
4)電力-熱泵
熱泵系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)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(guò)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(wèn)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(wèn)題。太陽(yáng)能光伏熱泵系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)能光伏與熱泵兩個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，不僅利用太陽(yáng)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(shí)，有效地提升了熱泵系統(tǒng)的能效比。
5)電力-通風(fēng)
針對(duì)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用與建筑結(jié)合時(shí)，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(guò)太陽(yáng)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(yáng)能光伏光熱窗、太陽(yáng)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(shí)，降低室內(nèi)冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。
6)電力-農(nóng)業(yè)需求
太陽(yáng)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(yáng)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(shí)，提高環(huán)境溫度。如太陽(yáng)能光伏農(nóng)業(yè)大棚，全年利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電力，針對(duì)不同作物生長(zhǎng)特點(diǎn)，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(yáng)輻射強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致的溫度過(guò)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。