文摘
光伏发电是一种有吸引力的选择太阳能的有效利用。考虑到光伏电池的效率和成本不能显著提高在不久的将来,一个相对廉价的集中器代替部分昂贵的太阳能电池可以使用。光伏热混合系统(PV / T),结合主动冷却和热发电和提供电力和可用的热量,可以提高系统的总效率,降低细胞区域。不均匀的光分布和散热的影响在集中讨论了PV / T的性能。总利用太阳能灯的光谱波束分裂技术也被引入。在最后一部分中,我们提出了一个集成的复合抛物面集热器(CPC)板精度较低的太阳能跟踪,确保有效收集太阳能灯的成本显著降低。太阳光谱光束分裂的组合,使用薄膜太阳能电池,液体冷却和活跃,高效的太阳能灯和全谱转换电和热,以低成本的方式,可能会实现。本文可能提供一般指导那些感兴趣的发展低成本集中PV / T混合动力系统。
1。介绍
太阳能是地球上最丰富的可再生能源。pollutant-free,广泛分散,无穷无尽的。然而,太阳能是低密度、分散、不稳定、不连续。目前,太阳能能量转换方法主要包括太阳能制氢、太阳能热发电和光伏(PV)发电。与太阳能热发电技术相比,光伏发电可以实现直接光电的转换,除去中间能量转换步骤。因此,其发电效率不受卡诺循环的约束。此外,由于其对太阳辐射强度需求的减少,光伏发电具有更广泛的适用性和分布式能源供应是最好的选择,比如在一个小规模的家庭(1,2]。两个紧急的问题需要解决在太阳能光伏应用程序中,也就是说,光伏发电的高成本和光电转换效率相对较低。目前,工业生产的晶体硅太阳能电池转换效率约为16%至17%,最高只有22%。
在这种情况下,光伏电池的效率和成本无法在短时间内显著提高,可以采用以下两种方法促进技术的大规模商业化。(1)浓度的高效、低成本的技术发展。在这种情况下,单位面积入射光强度的光伏电池应该改进以减少所需的细胞区域生成的权力。相对便宜的集中器作为替代昂贵的太阳能电池可以使用的一部分。(2)当阳光到达光伏电池,入射光子能量应该转化为电能。当入射光子能量大于半导体材料的禁带,额外的能量不仅不能转化为电能浪费的热量,这严重影响了光电转换效率(3]。实验和理论这两个关键问题进行了研究。
2。传统的集中式光伏系统
聚光光伏系统的集中器是一个重要组成部分。分类是根据光学原理,集中器类型和几何集中度。行集中太阳能集中器包括镜头、抛物槽,线聚焦抛物面集热器。重点聚焦集中器称为轴向集中器。集中器透镜或反射镜这种类型的集中器在同一光轴的太阳能电池4]。根据几何集中度、集中器可分为低浓度和高浓度系统与太阳能跟踪。虽然低浓度系统的集中度不高,可以使用散射辐射没有太阳能跟踪和应用不足的地区直接辐射。一般来说,如果浓度比率超过了10个,系统只能使用阳光直射。因此,必须采用跟踪系统。
自1970年代中期以来,50的集中度和效率为12.7%,第一集中光伏系统在美国桑迪亚国家实验室。这项技术已迅速发展。在其早期,菲涅耳透镜是优于其他光集中设备的财产。高浓度的被动冷却也是可行的比率,和花纹板和铜散热器的应用促进了技术的发展。太阳能集中器菲涅耳透镜的原理图如图1。
太阳能光伏发电已经受益于菲涅耳透镜的改善。例如,20千瓦点聚焦菲涅耳透镜阵列是由Amonix和太阳能公司经过15年的不断研究5]。Ryu et al。6)设计了模块化和microfaceted菲涅耳透镜与温和的集中度,带来高效的叠加,最后均匀分布的入射太阳能通量。他们还制定了一个数学模型来解决光伏面板上的能量通量的分布和收集效率。计算表明,能量分布的不均匀性仍然在20%。中低浓度条件下的比率(50倍),辐射透射率超过70%。安德列夫et al。7)设计了满杯高浓度比率PV模块与压力之间的小光圈镜头菲涅耳透镜和细胞,进一步提高低浓度。集中器系统的集中比率达到1000,和PV的大小只有1.2毫米。按比例扩大的模块是方便和改善其抗风化。罗塞尔et al。8)设计一条线使用菲涅耳透镜聚焦光伏系统。发现太阳能电池之间的热传导和热吸收器是整个系统的能源效率的关键。最近,吴et al。9)进行了大量的室内试验研究了热损失从菲涅耳透镜焦点PV集中器集中度100×在一系列模拟太阳辐射强度在200年和1000年之间W / m2、不同的环境空气温度以及自然和强制对流。发现太阳能电池温度与模拟太阳辐射的增加成比例地增加对所有实验测试,表明传导和对流换热明显大于长波辐射传热和系统内。
菲涅耳透镜属于屈光集中器,导致小光孔径,因此小蓄电池极板的面积。反映集中器可以克服这个弱点。重点关注旋转抛物面集中器和线的槽型集中器光伏系统主要是用于反射太阳能集中器。一个代表性的10米2槽聚光光伏几何浓度比率为30.8所示图左边的部分2(10]。
(一)
(b)
槽型光伏系统使太阳能电池被太阳和反射表面之间。太阳能电池总是反光抛物面焦线以下的射线是不可避免地庇护,从而导致光学非均匀流量分布。近年来,蝴蝶形状的太阳能集中器。一排面镜子安装在它的底部。太阳能电池模块是固定在其上,减少了遮蔽阳光的光伏设备在一定程度上。徐et al。11开发了一个蝴蝶形状的太阳能集中器,如图所示的图的一部分2。通过镜子反射的阳光平面均匀达到相应的太阳能电池阵列,以其不同浓度2到12次。
一个多片抛物面聚光光伏双轴跟踪系统是由NREL。本盘式集中器系统包括16反射表面,反映每个表面包含76块。镜像系统的区域覆盖了113米2一个高度精确的跟踪系统和集中度的25012]。著名的西班牙PSA研究机构开发了多片光伏太阳能集中器示范系统集中度为2000。它包括定日镜、光纤光栅、多片集中器,光伏板和可以同时测试光伏响应的直接太阳辐射和热通量分布(13]。
低浓度的光伏系统,Solanki et al。14单晶硅太阳能电池)集成到v形反射槽由铝箔,不仅扮演的角色反射和浓度也有利于散热量。然而,它的浓度比例只有2。系统的工作温度大约是一样的一个nonconcentration所需的条件。因此,有效的控制温度和电流密度的增加提高开路电压的输出。然而,这种类型的集中器不仅具有低浓度比,也非均匀辐射分布和严重的反射损失。在不同类型的聚光光伏系统上面所提到的,除了低浓度的v形反射槽、菲涅耳透镜,槽型集中器,蝴蝶形状的PV集中器,和多片抛物线的镜子集中器系统都需要高精度单轴或双轴跟踪,只使用直接太阳辐射和扩散反射(通常占据30%的太阳光谱)等跟踪系统不可用。
复合抛物面集热器(CPC)是一种非成象收集器根据边际光学原理设计的。从理论上讲,所有的入射光线入射角小于最大一半接受角()可以集中在吸收器。直接和散射太阳辐射的一部分可以被利用。中国共产党的性能非常接近理想的集中器。如果中国共产党集中器采用固定式安装,最大的接收角将30°。在这种情况下,浓度比例会小于2 (15]。如果安装在东西方向上的倾斜角度可调,最大的接收角小于30°,与集中度高达大约4 (16]。尼尔森et al。17)设计了一种复合光伏系统与非对称党和对系统的输出性能进行调查在不同季节和阳光MINSUN程序。研究表明每年总反映中国共产党的力量与阳极氧化铝的反光材料和钢铝,分别是非常接近。当光伏面板面临中共光孔径,电力的输出单位面积是205千瓦时/ (m2单元格区域),输出热能的冷却系统是145千瓦时/ m2。Hatwaambo et al。18)浓度进行了研究光伏系统基于一个党和调查的影响光入射角和共产党的倾斜角度对光伏的输出性能。辐射通量分布在光伏表面被射线追踪模拟。实验测量验证了理论模型。
3所示。集中PV系统的冷却
为不同类型的光伏在固定温度下,浓度的变化的一般趋势太阳能电池效率对应浓度的变化比率。电池效率随浓度比在低浓度比的增加和减少高浓度的集中度的增加比率。给定条件下的输出功率,串联式细胞可能增加的电压输出,减少电阻损失。然而,光强分布的不均匀性和细胞的散热不良导致过热面板中,影响整个单元阵列的电流输出。这是被称为“当前匹配问题。“有效的光伏电池冷却或适当的集中器的设计可以减少寄生功率的消耗19]。
恩等。21]证明了抛物槽产生的光强度分布的集中器类似于高斯分布曲线。比较均匀的照明,聚光光伏电池的开路电压和效率会降低。减少可能加剧时,峰值光强分布增加。这种减少可能导致严重的非均匀流量分布。目前,串联式模块通过大多数多晶硅太阳能电池和每个单元模块输出的电流是相等的。这种类型的模块,低光强度在某些领域(对应于较小的弱电流)极大地限制了整个光伏系统的一般电流输出。因此,如果一个或多个细胞着色,例如,就像在图3(一)模块性能将受到这些细胞的输出。薄膜模块图3(b)然而,所有细胞跨模块的完整。目前这一代将为每个细胞,因此,同样影响和输出功率只有减少阴影面积的比例(20.]。
根据高浓度比率,例如,多片集中器与150年浓度比率,光伏系统存在严重的冷却问题。这样的光伏系统需要主动冷却和较低的热阻22- - - - - -24]。在某种程度上,甚至存在于中共非均匀流量分布。为中国共产党3到5的集中度,集中度在某些点可能达到50。光强度的非均匀分布和散热差可能产生温度梯度,尤其是在high-concentrating PV。最近的研究显示,“汤姆逊效应”产生的温度梯度和电流之间的相互作用可以提高或降低细胞的输出功率(25),也就是说,当电流通过导体温度梯度,热量交换可以发生吸收或散热。因此,在数值模拟的过程中,汤姆逊效应必须被考虑。
至于PV电池的冷却板,除了通常的空气或水的冷却措施,技术,如热管冷却,射流,微通道制冷和液体浸没冷却(已被调查26- - - - - -28]。液体浸没冷却可以有效消除传统PV后冷却造成的接触热阻,从而提高电池效率。然而,研究显示,尽管相当均匀分布的系统中温度,长时间浸泡在去离子水也可能降低我- - - - - -V光伏的输出性能。
4所示。光伏热混合系统(PV / T)
上述冷却模式不仅散热效果不佳,但是他们也产生废热。光伏热混合系统(PV / T)结合主动冷却和热发电提供了电力和可用的热量,可以提高系统的总效率。PV / T所需的覆盖面积也减少了相比传统PV。这些因素尤其有利于分布式能源供应。
nonconcentration,板PV / T系统由Sandnes和Rekstad [29日),硅光伏电池连接到平板表面覆盖着玻璃。对于这样的系统,进行了实验主要在低水温。Saitoh et al。30.)开发了一个PV / T收集器通过附加的硅光伏电池铝板,其是由铜管。系统的热输出性能测试使用盐水作为工作介质。Zakharchenko et al。31日)提出了一个PV / T收集器与它的表面覆盖着黑色PVC吸收器,和收集器本身可以结合不同的光伏电池。他们发现当PV电池的面积小于收集器的板,细胞是位于冷却水入口,一个更好的冷却效果,提高了锅炉的热效率可以实现。从理论上讲,PV / T系统的总能量效率可以达到60% - -80% (32]。Dupeyrat等人提出了一个实际尺寸PV / T模块测试弗劳恩霍夫太阳能测试设施。PV / T模块显示的总效率高于87%(79%热效率+ 8.7%电效率,基于吸收区)(33]。一个实验性的平板PV / T收集器是由同一组使用单一的包层方法,专注于改善光伏电池之间的传热和冷却液和光学性能的改善。零的热效率降低温度测量在79%在PV操作相应的电效率为8.8%,导致整体效率高的近88% (34]。
Kostic et al。35]研究反射率的影响能源效率的平板型PV / T和优化安装位置和倾角。研究表明,平板型接收机的反射系数由铝板,铝箔几乎是相同的。然而,反射表面的铝箔强度增强的浓度,从而提高热电转换效率。
抛物槽的PV / T系统集中器(37倍,浓度和峰值光强在一些地区是100次)是由考文垂(36]。它的热效率为58%,11%,电效率和总能量转换效率为69%。王等人。37构造一个trough-concentrating太阳能PV / T。太阳10倍浓度下,单晶硅太阳能可以增加了5.05倍。太阳和施38]分析了PV / T系统的热电性质与抛物面太阳能集中器和散热片。他们建立了一维稳态传热过程的数学模型在PV / T。他们还进行了传热过程的数值模拟,分析了空气质量流量,入射光强度、浓度比例,环境温度,高度上频道和翅片参数对空气温度的影响,细胞板温度和系统的热效率。
研究系统的低浓度CPC-based PV / T也一直在进行。然而,他们中的大多数已经固定年度"特别关注国"或年度"特别关注国",只能按季度调整。这些PV / T系统采用简单的风冷或水冷却。例如,加戈和Adhikari39]研究了PV / T和共产党的集中器和空气作为冷却介质。参数分析表明,收集器的长度的增加,大量的空气流或表面覆盖比率的收集器将极大增强热能和电能的输出属性,而气流通道的宽度的增加不是有益的。奥斯曼et al。40]CPC-based双通道设计太阳能空气集热器安装导热鳍。空气穿过上层通道包含玻璃板块和光伏电池板。太阳光伏板直接加热。空气的上层通道从底部的通道流动,空气的热交换的方向PV可能执行,提高系统的效率。作者同时分析了系统的传热效率,采用一维稳态模型。
Brogren et al。41]介绍了水冷PV-thermal较低的混合动力系统集中铝复合抛物面集中器,如图4。系统安装在60.5°N 17.4°E的瑞典。以下是系统参数:C= 4,最大输出功率为0.5千瓦,相应的年度电力产出的太阳能电池单位面积为250千瓦时,和热输出是800千瓦时。光学效率计算是0.71。研究还表明,优化的玻璃板上的增透膜和反射材料的反射比的提高可以提高输出功率约20% (41]。值得注意,大多数CPC-based光伏系统使用非常简单的设计采用固定安装或定期调整几个月。设计将导致重大的变化在不同太阳方位角(如9。m和5点对比),所以系统输出将显示巨大的波动在一个工作日。在这里,我们提出一个新的概念集成平共产党有效太阳能收集板。如图5,集成共产党板可以在两个轴调整手动或电动机械。如此低的太阳能跟踪精度保证有效收集的太阳能灯显著降低成本相比传统的高精度太阳跟踪。然而,太阳能辐射的总接待一天可以得到极大提高。事实上,我们这样设计集成共产党板已成功应用于solar-to-hydrogen转换和技术也因此被认为是适用于集中PV / T [42,43]。
5。总利用太阳能灯的光谱分束技术
前面提到的所有研究旨在提高整个系统的能源利用效率从主动和被动散热的角度从光伏面板本身。近年来,有效利用太阳能的概念由光谱光波束分割技术提出了(44]。与传统的太阳能利用率,该方法达到了光电和热电转换通过单独使用太阳光谱的不同部分。热管理问题在传统的太阳能集中器有效地克服了这种方法。研究表明,光谱分裂PV / T PV-only系统混合系统有几个潜在的优势,特别适用于工作在高浓度条件下(45]。在这样的系统中,热单位不再是光电单元的限制,和纳米流体直接吸收太阳辐射来实现高效的光热的转换(46]。例如,江et al。47)提出了这样一个PV / T两级抛物槽集中器的设计。增加了光谱分解滤波器之间的抛物槽和PV,过滤掉红外光线。基于零维光学模型和射线跟踪方法,能量流的分布也进行了分析。
江et al。48)实现光束分裂13-layer电影和建立一个三维的光学模型,考虑太阳角。他们研究了光谱的影响光束分裂的热量和电力输出属性semiparabolic槽PV / T系统的集中器。的光谱分布系统和太阳能光伏电池表面磁通密度分布。计算表明,系统的光学效率下AM1.5太阳光谱是58.7%。细胞的倾角应优化实现统一能量密度不同的集中器光阑。
在理论研究方面,赵et al。49)进行了数值模拟的吸收介质的吸收特性,假设的最大通过200 - 800 nm和800 - 2000纳米的最大吸收太阳光谱。仿真是基于Lorentz-Drude与阻尼振荡模型。派生的表情被Kramers-Kronig验证转换。计算表明,热量单位能吸收89%的红外线和通过84%的可见光。如果上游流量减少,出口温度可能会达到74°C。
6。结论和观点
总之,PV浓度可以分为三个类别按照电或热的综合利用。(1)温度控制模式集中光伏系统与高浓度比率(例如,沉浸模式)。通常保持高工作温度较低的电效率低于50°C。它无法提供可用热量由于细胞的小面积单位。(2)PV / T模式系统,它使用PV的主要热供应,提供了可用的热量在更高的温度,如80°C。然而,光伏的输出功率会受到影响。(3)的全谱利用太阳能,也就是说,通过光谱分束技术。它会降低太阳能光伏电池的工作温度,保持其效率高,供应所需的热输出由于其表面积大光伏。
如上所述,目前的研究集中PV / T主要关注菲涅耳的集中器,槽型,和butterfly-type等等。这些收藏家的共同弱点是他们的太阳跟踪所需的高成本。更重要的是,这些收藏家不能使用扩散太阳能灯,占据了相当大的一部分太阳辐射和覆盖大面积的土地。一些研究有关共产党集中PV / T系统表明,中共可能是一个不错的选择。然而,大多数这些系统的使用非常简单的设计的中国共产党采用定期调整固定安装或几个月。设计将导致重大的变化在不同太阳方位角,因此产出的波动。我们提出了一个光伏系统集成板如图5为了克服这些缺点。另一方面,最大接收和利用太阳能通量本身可以通过分束的太阳光谱,如纳米流体。薄膜太阳能电池的组合来克服不均匀的光分布,主动冷却热利用率和综合CPC在太阳能集热器板,高效和全谱转换的太阳能光电力和可用的热量,以低成本的方式,可能会实现。
确认
作者欣然承认金融支持中国国家自然科学基金(没有。50821064,20906074),中国(没有国家基础研究计划。2009年cb220000)和863年(没有程序。2012 aa051501)。