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上海电力
倪明江 ，骆仲泱 ，寿春晖 ，王 ，赵佳飞 ，岑可法涛夫妻保健器具
( 浙江大学能源清洁利用国家重点实验室 ，浙江杭州 310027) 摘 : 太阳能光热光电的综合利用技术是将聚光、要分光、热电联用等技术集成 ，通过对太阳能全波段能量进行一体化地利用 ，可极大地提高太阳能的利用效率 ，降低成本 ，具有重要的研究价值和市场应用价值。文章介绍了太阳能光热光电综合利用系统的技术情况 ，分别对集中式和分布式两种技术路线作了阐述 ，分析了聚光 PV/ T 系统以及与建筑一体化设计的 PV/ T 系统的未来发展方向。最后 , 结合各类太阳能利用系统的特点 ,
比较分析了各种光热光电技术存在的问题 ，提出了综合利用各种光热光电技术来提高应用效果的理念。关键词 : 太阳能利用技术 ; 热发电 ; 聚光热电联用 ; 光热光电综合利用中图分类号 : T K513 文献标识码 :A 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目(50676082)
1 引言
传统化石能源的大量使用 , 不仅造成了化石能源本身的短缺 , 也给世界环境带来了极大的危害 ，给人类生存空间造成了严重威胁。寻求可再生能源的高效清洁利用成了目前人类面临的共同问题
[ 1 ,2 ]
发展。而以现今的发展趋势来看 , 太阳能热力发电和光伏发电将是世界各国在太阳能利用领域研究的新重点。
2. 1 热利用
太阳能热利用方面 , 中国已成为世界上最大的太阳能热利用产品的生产、应用和出口的国家。
2007 年 ，集热器总保有量约为 10 800 万 m2 。热
。太阳能作为可再生清洁能源蕴藏着巨
金属卤化物灯镇流器15
大能量 ，被普遍认为是理想的新能源。太阳辐射到达地球表面的能量高达 4 ×1 0
5
利用形式多样 , 包括了太阳能热水器、太阳能空调、太阳能干燥和太阳能海水淡化等。 ( 1 ) 太阳能热水器太阳能热水器是太阳能热利用中最常见的一种装置。其基本原理是将太阳辐射能收集起来 , 通过与物质的相互作用转换成热能供生产和生活利用。我国是世界上最大的太阳能热水器制造中心 , 由我国生产的集热器推广面积约占世界的
76 % 。随着太阳能热水器的发展 ，出现了闷晒式、
M W , 相当于
每年 3. 6 ×亿 t 标准煤 ，约为全球能耗的 2000 10 倍。太阳能可以免费使用 ，又不需要运输 ，对环境无任何污染。在传统化石能源储备减少、价格快速上升 ，在温室气体排放引发的气候环境问题愈来愈显著的今天 , 太阳能作为可再生能源和新能源的代表 , 得到越来越多的关注 , 太阳能的利用、太阳能材料及相关技术的开发在世界范围内引起了重视
[ 3 ～5 ]
。
3
平板式、玻璃真空管式和热管真空管式等多种应用形式。太阳能热水器以其经济、、节能环保等优点 ，备受世人瞩目。太阳能热水器在国内市场得到了迅速推广。目前城市太阳能热水器的平均普及率约为 15 % ，部分地区达到 31 %～60 % 。随着太阳能热水器关键技术的不断突破 , 该技术已广泛运用于家庭、、、宾馆学校部队和医院等供淋浴、洗漱及其它需用热水的场所。 ( 2 ) 太阳能空调太阳能空调以太阳能作为制冷空调的热源 , 利用太阳辐射产生中高温蒸气 ( 热水 ) , 进而驱动制冷机工作。太阳能制冷首先通过集热器收集太— 1 —
我国太阳能资源丰富 ，辐射总量约 3. 3 × 10 6 2 ～8. 4 × kJ / ( m · ) ，全国 2/ 3 以上地区年日 10 a 照时数大于 2 000 h 都有着重大意义。
[6 ]
。太阳能的有效利用 ，对缓
解我国能源问题、减少 CO2 排放、保护生态环境
2 太阳能利用技术概况
目前利用太阳能的方法 ，主要有 : 太阳能集热利用、热力发电、光伏发电、光利用、海水淡化、建筑一体化技术、、制氢干燥技术等。其中太阳能集热利用技术以及太阳能光伏技术已经得到了长足
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阳能 ，依靠消耗太阳能转化来的内能使热量从低温物体向高温物体传递。太阳能空调一般采用溴化锂吸收式制冷机制冷。对于太阳能空调器来说 ，当天气炎热、制冷量需求大时 ，太阳能辐射能量密度较大 ，集热器的热量较多 ，系统制冷量也相应增大 ; 反之 ，天气凉爽、制冷量需求小时 ，制冷量也会减少 ，即太阳能的间断性和不稳定性不会成为太阳能空调系统发展的主要问题。这一特点使太阳能空调制冷技术的开发利用具有十分诱人的市场前景。目前国内外对利用太阳能制冷空调已进行了不少的研究 [ 7～9 ] , 但由于价格等原因 , 许多试验装置未能得到推广应用。为保证制冷的连续性和稳定性 , 太阳能制冷需要配有辅助系统。目前 , 一种较为可行的综合系统是将太阳能供暖和太阳能制冷结合起来 , 一个集热器按季节分别用于供暖和制冷 , 这可以降低成本 ，提高集热器的利用率。对于可以布置足够集热器、且需要长时间运行空调的场所 ，比较适合采用太阳能空调系统。 ( 3) 太阳能干燥太阳能干燥是以太阳能代替常规能源来加热干燥介质 ( 最常用的是空气) 的干燥过程 , 通过热空气与湿物料接
触并把热量传递给湿物料 , 使其水分汽化并被带走 , 从而实现物料的干燥。按接受太阳能及能量输入方式进行分类 ，主要有 : 温室型干燥系统、集热器型干燥系统、集热器—温室型干燥系统、盔体式干燥系统、聚光型干燥系统、远红外干燥系统和振动流化床干燥系统等多种形式[ 10 ,11 ] 。太阳能干燥可以节约燃料 , 缩短干燥时间。同时由于采用专门的干燥室 ，因此干净卫生 , 必要时还可采用杀虫灭菌措施 , 既可提高产品质量 ，又可延长产品贮存时间 ，已被广泛应用于农副产品加工和橡胶、瓷器 , 制鞋等工业产品的生产。不足之处是对气象条件的依赖 , 可控性差 , 不稳定。目前解决这一问题通常是采用辅助能源或增加贮热措施。 ( 4) 太阳能海水淡化利用太阳能淡化海水 ，也称为太阳能蒸馏 ，已经有很长的历史了。世界上第一座大型太阳能海水蒸馏器是由瑞典工程师威尔逊设计 ,1872 年在北智利建立 ，由许多宽 1. 14 m 、 61 m 的盘形蒸长馏器组合而成 , 总面积为 4 700
m2 左右 , 日产淡水 17. 7 t 。太阳能海水淡化大多采用蒸馏法 , 主— 2 —要是采集太阳热量 , 使海水或介质被加热。目前太阳能蒸馏装置主要有被动式系统和主动式系统两大类。被动式是指那些在装置中不存在任何利用电能驱动的动力元件 , 也不利用附加太阳能集热器等部件进行主动加热的太阳能海水淡化装置 , 其运行完全在太阳光的作用下被动完成的。主动式系统是在被动式太阳能蒸馏系统中增加一些其它附属设备 ，使其运行温度得以大幅度提高 , 内部传质过程得以改善 , 能得到比传统太阳能蒸馏器高出一倍甚至数倍的产水量 , 因而受到广泛重视 [ 12 ] 。与传统动力源和热源相比 ，太阳能更安全、环保 ，利用太阳能作为淡化海水的能源 ，对于用水量小且地处偏僻分散的地方来说也更经济。
采用低温蒸馏法、用新型传热元件构建能量回收设备、重新利用蒸汽凝结潜热等措施 , 可以克服传统太阳能蒸馏器单位面积产水量过低的问题 , 使这种技术得到更好的发展。 2. 2 太阳能热发电技术太阳能热力发电是当今世界太阳能利用研究的主题之一 ，该类系统通过太阳集热设备代替常规锅炉 ，用太阳能热力系统带动发电机发电。主要包括了聚光热发电和太阳热气流发电。 ( 1 ) 聚光热发电聚光热发电利用聚光集热器把太阳辐射能转变成热能 ，然后通过汽轮机、发电机来发电。目前聚光热发电系统主要有三种类型 : 塔式系统、槽式系统和碟式系统。塔式太阳能热发电系统是利用定日镜跟踪太阳 , 并将太阳光聚焦在中心接收塔的接收器上 , 将聚焦的辐射能转变为热能 , 加热工质 , 驱动汽轮发电机发电 , 其常见形式如图 1 所示。
图1 塔式太阳能聚光发电站
槽式太阳能热发电系统是利用槽式聚光镜面
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将太阳光聚在一条线上 , 在这条焦线上安装有管状集热器 ，以吸收聚焦后的太阳辐射能 ，如图 2 所示。
管状集热器内部的流体被加热后 , 流经换热器加热工质 , 借助于蒸汽动力循环来发电。美国加利福尼亚州的槽式抛物面太阳能热发电系统 , 总容量已达 354 M W ，十余年已向电网供应了 50 亿 kW · ，其系统效率己达到 15 %[ 13 ] 。 h 熟的温室技术 ，烟囱技术和风力透平机技术结合为一体。太阳能热气流发电系统主要由三部分构成 : 太阳能集热棚、导流烟囱和涡轮发电机组 , 如图 4 所示。其中集热棚采用透光隔热材料制成 , 吸收太阳辐射加热棚内空气 ; 在位于集热棚中央的烟囱抽气和集热棚内热空气压力的联合作用下 ，引导棚内空气形成强大气流 ; 气流驱动涡轮机带动发电机发电。太阳能热气流发电的优点是 : 环境友好 , 无
CO2 、 X 等有害气体及固体废弃物的排出 ; 集热 NO 棚能同时利用太阳直射辐射和散射辐射 ( 而上述
采用聚焦型集热器的热发电系统仅能利用太阳直射辐射) ; 可通过在集热棚下面安装水管或直接利用棚下土地作蓄热器 , 使系统能够持续发电 , 对天气的依赖性小 ; 不需冷却水源 , 适宜于太阳能资源丰富而又缺水的国家和地区 ，如沙漠等地区 ; 设备简单等。与其它太阳能发电技术相比 , 热气流系统的效率相对较低 , 一般在 1 %左右 ，需要更大面积的土地 [ 17～19 ] 。但在大棚下面可以种植蔬菜、水果、花卉等 , 在土地有效利用与经济上得到补偿。
图 2 Euro Trough Protot ype 槽式聚光发电系统
碟式太阳能热发电系统是由碟形镜面组成的抛物面反射镜 ，接收器在抛物面的焦点上 ，接收器内的
传热工质被加热然后驱动发动机进行发电 , 如图 3 所示。
KU波可调电衰减器
图3 碟式聚光发电系统
图4 热气流发电结构示意
上述三种聚光太阳能发电方式综合性能比较和发展情况如表 1 所示 [ 14 ] 。 ( 2) 太阳能热气流发电太阳能热气流发电的构想是由德国斯图加特大学的 Jorgan. Schlaich 教授在 1978 年首先提出的 [ 15 ,16 ] 。1982 年在西班牙的门泽纳雷斯市( Manzanres) 成功建起了一个白天平均功率为 50美团配送箱怎么安装
kW 的试验性太阳能烟囱发电站。它成功地将成
聚光方式槽式发电塔式发电碟式发电工质温度/ ℃
390/ 794 565/ 1 049 750/ 1 382
2. 3 光电技术
利用光电转换原理制成的太阳能电池发电是太阳能利用最成功的技术之一。1954 年太阳能电池诞生于美国贝尔实验室 , 按材料可分为 : 晶体/ 非晶硅电池、硫化镉电池、硫化锑电池、砷化镓电池等多种类型。另外 ，随着空间太阳能技术在地面上的应用 , 像多节太阳能电池以及聚光太阳能电池的使用 ,
规模
30～320 MW 10～20 MW 5～25 kW
表1 三种方式性能的比较
聚光比 10～100 300～1 500
> 500
峰值效率/ % 20～28 25～28
29. 4
技术特点跟踪简单、能量收集代价低、已进入商用阶段跟踪复杂、能量收集代价高、已进入中试阶段跟踪复杂、能量收集代价高、处于试验阶段
— 3
—
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都能进一步提升光电转化的效率 , 优化太阳光电利用技术。美国特拉华大学关于提升效率到 50 %的太阳电池项目的研究 , 这种电池使用横向光学聚焦系统将阳光分成高、、中低三种能量的光 ，将它们引入覆盖太阳光谱的不同光敏感材料 , 进行光电转化 ，以实现效率的最优化 [ 21 ] 。截止 2006 年底 ，各种地面应用的聚光或多节太阳电池技术的效率比较情况 [ 22 ] ，如表 2 所示。除了上述介绍的各类太阳能利用技术 , 还有采集太阳光后利用光纤传导 , 进行室内照明的光利用技术和利用太阳能制氢等其他的太阳能利用技术 ，这里不再一一介绍。应该说目前利用太阳能的方式十分多样 , 每种技术都有着各自的独特优势 ，其中光电应用和光热应用技术在各类形式中特别突出 , 都取得了很大的成果。但是太阳能利用技术的发展还或多或少地存在一些问题 , 如光电应用方面太阳能电池造价高 , 发电效率平均在 15 %左右 ，其发电成本约为火电的 10 倍 ; 而目前光热利用大多为太阳能热水器的形式 , 只能利用低能品的热能。而且总体上技术发展不平衡 , 像太阳能热发电、太阳能制氢等极具发展潜力的技术都还需要得到更多的关注。
从近年的研究中可以发现 , 太阳能热电联用系统的各类技术正在逐步完善 , 特别是由于光伏效率受到温度限制等因素的影响 , 太阳能热电联用的研究在国外正逐步受到更多的关注 , 其中该系统与建筑一
体化 (B IPV ) 的结合 [ 25 ,26 ] ，以及与聚光系统的结合更是成为应用研究的热点 , 将在下文中进行介绍。 3. 1 规模化的集中式太阳热电联合利用技术目前 ，虽然我国太阳能光伏电池生产迅速发展 ，但在国内的规模化应用还
很不理想。其主要制约因素就是光伏电池价格昂贵且光电转化效率低 ，使得光伏发电的成本过高。同时 ，不论是聚光光伏技术还是聚光热发电技术 , 都是将全波段太阳能不加区分的利用 , 而实际的发电组件对太阳能不同波段的响应和发电效率是存在很大区别的。比如 ，常规的太阳光伏发电主要利用了太阳可见光波段附近的能量 , 其余的能量无法高效率使用 ; 同时 ，几乎无法利用的红外波段引起的热效应更会明显降低电池的光电转化效率。以硅电池为例 ，目前其在应用中光电转换效率约为 15 % , 大部分的太阳能转换成的热能散失而无法利用。太阳能热电联用系统是将电池无法利用的太阳能以及电池发电中产生的热能集中利用 , 在供应热水的同时 , 可降低电池温度 , 提高光伏效率。图
5 、
6 分别为地表太阳辐射光谱与晶体硅电池光图
3 光热光电综合利用太阳能
干涉光刻当太阳辐射能入射在太阳能电池上时 , 工程应用中仅有不足 5 %～ 20 % ( 根据不同的太阳电池) 太阳
能转化为电能 , 而将近 60 %～ 70 %的太阳入射能转化为热能[ 23 ,24 ] , 针对这个问题 , 太阳能光热光电联合利用技术应运而生。太阳能热电联用系统 ( PV/ T) 由光伏发电单元和热收集单元共同组成 ，可同时产生电能和热能。在过去的近 30 年里 ，研究者对太阳能热电联用系统的结构设计、性能分析、模拟计算、试验研究、应用状况等进行了广泛的研究。
聚光太阳电池分类
GaAs Si Si CI GS( 薄膜) Ga InP/ GaAs/ Ge (2 端)
伏响应匹配的情况 [ 27 ] 以及分光谱利用太阳能的概念示意图。浙江大学能源清洁利用国家重点实验室在多年太阳能研究工作的基础上 , 针对传统热电联用存在的一些问题 ，包括 : 主要用在电池板下部进行冷却的方式 ，在电池板产生热后再进行冷却使用 , 所利用的热能温度不高、能品低 , 热利用效率小 , 同时对光电效率已经产生了影响等 , 需要寻求更好的利用方案。重点关注热电联用系统 , 对于可
面积/ cm 2
0. 203 1. 60 1. 00 0. 102 0. 267 0. 378 34 1 875
表2 地面上聚光太阳能电池的效率比较
效率/ %
27. 8 ± 0 1. 26. 8 ± 8 0. 27. 6 ± 0 1. 21. 5 ± 5 1. 34. 7 ± 7 1. 39. 3 ±3 2. 40. 7 27. 0 ± 5 1. 20. 3 ± 8 0.
强度聚光比/ suns
216 96 92 14 333 179 236 10 80
测试中心 ( 和时间)
sandia (1988 年 8 月) Fh G2ISE(2004 年 11 月) N TEL (001 年 2 月) NR EL (2003 年 9 月) NR EL (2006 年 8 月) S(1989 年 4 月) F G2ISE(1995 年 10 月) 单结电池
多结电池子组件组件
Ga InP/ GaInAs/ Ge (2 端) Ga InP/ GaInAs/ Ge (2 端) Ga InP/ GaAs/ Ge Si
Spect rolab (2006 年 12 月) NR EL (2000 年 5 月)
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光热电综合发电系统在内的两套方案。图 7 为方案一的结合纳米技术的热电联用集成
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