太阳能光电_光热综合利用系统

引言随着节能减碳问题的日益紧迫，可再生能源的开发利用受到了越来越多的关注。

而太阳能作为一种储量巨大，分布广泛，清洁安全的新能源，已经在世界范围引起了广泛的重视。

太阳辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW ，约为全球能耗的2000倍。

目前太阳能的主要利用方式有：太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能制氢、太阳烟囱、太阳能制冷、太阳能热水器等。

其中太阳能光伏利用技术已经日益成熟，从光伏电站到太阳能路灯，太阳能光伏技术已经被广泛应用。

但在太阳能光伏利用方面仍存在两个亟待解决的问题：光伏发电成本较高以及光电转化效率相对较低。

工业生产的晶体硅太阳电池转化效率大约在16%~17%，转化效率较高摘要：太阳能储量巨大，分布广泛，清洁安全。

但太阳能光伏发电存在成本较高和能量转化效率较低的问题。

因此本文提出太阳能光电-光热综合利用方式。

通过聚光降低成本，通过分频综合利用提高系统效率。

在分频利用技术上，寻找具有特定吸收发射特性的纳米流体流经光伏电池上层，吸收光伏电池不能加以利用的部分能量。

此外，利用光学薄膜，将光伏电池可利用的波段反射给光伏电池，其余部分的能量透射用以其他形式的能量转换。

文章对两种太阳能光电-光热综合利用系统进行了设计和探索。

结果表明，通过光电-光热综合利用能够对太阳能利用效率实现有效提升。

关键词：太阳能；分频；纳米流体；光学薄膜；综合利用Solar Energy Optic-Electro and Optic-Thermal Composite Utilization SystemWei wei ，Luo zhong yang ，Zhao jia fei ，Shou chun hui ，Zhang yan mei ，Wu ting ting ，Ni ming jiang Abstract:solar energy is enormously reserved,widespread,safe and clean.But solar energy photovoltaic power cost is high and its conversion efficiency is low.So this article brings up Solar energy optic-electro and optic-thermal composite utilization.Through spotlights cost reducing and frequency division utilization it improves system efficiency.Based on frequency division technology,some specific absorption -emission characteristic nanometer fluid passing above photovoltaic battery will absorb some energy which can not be used by photovoltaic batter.Otherwise it will use optical thin-film to reflect some wave band which photovoltaic battery can use to photovoltaic battery,as for the rest energy,it will transmit into other means of conversion.This article discuss two ways of solar energy,designs and explores optic -electro and optic -thermal composite utilization system.The results shows that solar energy use efficiency improves a lot through optic-electro and optic-thermal composite utilization.Keywords:solar energy,frequency division,nanometer fluid,optical thin -film,composite utilization太阳能光电-光热综合利用系统魏葳1骆仲泱1赵佳飞1，2寿春晖1张艳梅1武婷婷1倪明江11浙江大学能源清洁利用国家重点实验室2大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室的产品也仅能达到约22%。

而在成本方面，德国、日本、美国等太阳能产业发达的国家都制定不同的政府补贴政策以支持光伏产业的发展。

我国按太阳能发电成本以及火电上网价格计算，太阳能发电每度仍需补贴1元。

[1-3]当太阳光照射到太阳能光伏电池上时，只有能量大于其半导体材料的禁带宽度的部分光子能量能够转化为电能。

此外的能量不仅不能转化为电能输出，还会变为废热造成光电转换效率下降。

由于这一特性和太阳能光伏利用的现存问题，本文提出了太阳能光电-光热综合利用的思路，并且有别于传统的太阳能电热联供系统，此思路基于对太阳光的分波段利用，将光电单元和光热单元分离。

本系统在很大程度上缓解聚光光伏系统中的热管理问题的同时，通过优化光电单元及光热单元的波段分配方案，能够进一步提高系统效率。

1通过纳米流体实现太阳能光电-光热综合利用通过调节纳米流体的纳米颗粒种类、颗粒浓度、颗粒形状、基液种类，基液酸碱度等参数，可以得到不同的流体辐射特性。

因此，本文基于纳米流体设计了新型的太阳能光电-光热综合利用系统。

相对于以水为上层工质的传统的太阳能电热联用系统，此系统基于直接吸收技术（Direct Absorption Collection），能够灵活调节上层工质的辐射特性实现对太阳光的全光谱利用。

同时，光热单元不再受制于光电单元，由纳米流体直接吸收太阳辐射部分能量进行光热转换，使得得到高温热能成为可能。

图1为本文提出的通过纳米流体实现太阳能光电-光热综合利用的系统结构示意图。

图中纳米流体a为能够与PV板的太阳光利用波段良好匹配实现对太阳能全光谱利用的具有特定辐射特性的纳米流体。

纳米流体b是基于纳米流体同时具有的良好的换热特性而应用在系统中的冷却工质，也可考虑将纳米流体a先流经此层进行预热然后进入上层吸收部分太阳辐射。

图中纳米流体a直接吸收部分太阳光能量进行光热转换，透过纳米流体a部分的能量照射在光伏电池板上进行光电转换。

1.1太阳能光电-光热综合利用系统对纳米流体辐射特性的期望如图2，AM1.5的太阳辐射波长主要分布在200nm-2500nm范围内。

而单晶硅太阳电池能够响应的太阳光波长主要分布在400nm-1100nm 范围内。

基于直接吸收技术（DAC），本文所提出的通过纳米流体实现的太阳能聚光分频利用系统期望纳米流体能够直接吸收波长小于400nm，或大于1100nm的太阳光辐射转化为热能，而将波长在400nm-1100nm范围内的太阳光透过供给光伏电池转化为电能。

因此，本系统对纳米流体辐射特性的期望为：在波长为400nm-1100nm范围内，其透射率趋近于1，在其余范围内，其吸收率趋近于1。

同理，在其他光伏系统中，参考光伏电池能够响应的太阳光波段，可以确定适用于该系统的纳米流体的辐射特性期望。

1.2纳米流体的制备及辐射特性测试作为纳米流体辐射特性研究的基础，本文分别采用一步法和两步法制备了稳定的纳米流体。

图3为两种制备方法的示意图。

本文采用醇介质中氨催化水解正硅酸乙酯，通过控制反应物与催化剂氨水的玻璃来制备不同粒径分布的单分散二氧化硅纳米流体[4]。

对比两种制备方法，一步法的分散效果和粒径控制更好，而两步法为物理分散，未引入杂质，且处理量较大。

本文借助UV-3150型紫外可见红外分光光度计对不同颗粒粒径，不同颗粒浓度等不同参数的纳米流体的透射率进行了测量和分析。

掺杂颗粒的等效粒径较大的流体其透射率较高，且吸收峰值所对应的波长略小。

随着颗粒粒径的减小，其比表面积增大，处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性，在红外光场的作用下，原子和电子运动加剧，促使磁化、极化和传导运动，使光能转化为热能，从而增加了对光的吸收。

随着颗粒掺杂浓度的升高，颗粒对光的散射加强，流体的透射率明显下降。

1.3系统效率的理论计算基于弥散介质理论和遗传算法，根据系统对纳米流体辐射特性的期望，建立了反问题研究模型，寻找能够满足特定辐射特性的纳米流体组分及其配比。

并在此基础上建立了此系统的辐射传递模型和能量平衡模型，对系统在不同聚光条件下的性能进行了综合分析。

将通过理论计算寻找到的特定纳米流体和水分别应用于电热联供系统后观察系统效率与光强之间的关系。

可以看到，相对于水，通过纳米流体实现的太阳能光电-光热综合利用系统光热单元效率明显较高。

光热单元温度明显高于以水为工质的系统。

而随光强增强，其光电单元转化效率降低小于3%，其程度远小于以水为工质的系统。

对比系统有效输出能效率，同样可以看到，在高倍聚光条件下，采用纳米流体的系统优势更加明显。

2通过光学薄膜实现太阳能分频利用相对纳米流体在分波段利用方面的探索，在分光技术方面，光学薄膜技术已经相对成熟。

因此本文也采用光学薄膜实现太阳能分频利用的另一系统设计。

目前薄膜分频技术主要有复合干涉薄膜技术、棱镜折射分光技术、全息薄膜技术、荧光分光技术以及流体吸收层技术等。

本文采用复合干涉薄膜对太阳辐射进行分频，同时通过采用较复杂的多层纯电介质层代替金属层，改善了传统的金属－电介质多层干涉薄膜吸收损失较大的问题。

由于完全分离了光电单元和光热单元，光热利用形式灵活多样。

可以用于生活热水，可以直接供给温差电池热端，也可以用于斯特林发动机或太阳能热发电电厂进行发电。

2.1太阳能聚光分频利用系统的波段分配方案如图4，图中为一单晶硅太阳电池的外量子效率曲线，通过公式（1）可以计算得到该电池的效率曲线[5]。

在该系统中，热利用部分可以是多种形式。

以光热转化效率在全波长范围内为8%为例，可得到光热部分效率曲线和光电部分效率曲线的两个交点，如图所示。

因此，将光热转换效率高于光电转换效率的波长范围内的太阳光（λ<420nm ，λ>1120nm ）透射给光热单元，将光电转换效率较高的部分（420nm<λ<1120nm ）反射给光伏电池。

即本系统的波长分配方案。

η（λ）PV =I SC （λ）V OC FF φ（λ）A h c λ=EQE eV OC FF h c λ（1）2.2光学薄膜的设计及制作在太阳能分频利用系统中，为减少复杂系统带来的光学损失，要求分频薄膜在特定波段要实现高的反射率或透射率。