毕业论文范文——热能利用型光伏发电系统

学 科 类：工学 学 号： 学校代码： 密 级： 本科生毕业论文热能利用型光伏发电系统院 系： 新能源科学与工程学院 专 业： 光电信息工程 姓 名： 指导教师： 答辩日期： 年 月摘 要热能利用型光伏发电系统作为一种利用太阳能同时获得热能和电能的新型利用方式，近几年来受到人们的广泛关注，也出现了大量成功的示范工程。本文对热能利用型光伏发电系统的组建方法和如何提高太阳能转换效率方面进行了探索和研究，提出了一种新型的高效率应用系统热能利用型光伏发电系统。热能利用型光伏发电系统将太阳能集热器与太阳能光伏电池组件结合在起来，在单位面积内同时利用光的热能和能量。即把太阳能转化为电能输出的同时通过集热器中的水带走电池的热量并利用，不仅可以降低太阳能电池的温度,提高光伏发电效率,而且能够产生热能，提供热水，从而大大提高了太阳能的综合利用效率。因此本文重要概述热能利用型光伏发电系统的原理、构成、组装及应用。关键词：热能利用型光伏发电系统；集热器；光生伏特效应；转换效率；结构设计AbstractA new type of utilization way called Photovoltaic/Thermal(PV/T) system,which can convert solar energy into both power and thermal energy at the same time,becomes much more popular recently,there have been a large number of successful demonstration projects.Implementation of solar photovoltaic, solar thermal hybrid system and in improving the rate of solar energy applications in the exploration and research,a new type of solar high-efficiency applications - Photovoltaic/Thermal(PV/T) system. Photovoltaic/Thermal(PV/T) system combines the function of photovoltaic cells and solar thermal collector,use of light energy and heat per unit area at the same time.Which converts the the solar energy into electricity,and at the same tiame outputs thermal energy through the fluid heated by the thermal collector,photovoltaic/Thermal(PV/T) system can reduce the operating temperature of the PV modules,keeping the electrical efficiency at a high level .Furthermore,it can also provide heat,supporting hot water.These make the system achieve a higher conversion rate of the absorbed solar radiation.So,this article important overview of photovoltaic solar thermal hybrid system of what constitutes the principle and assembly applications. Key words: photovoltaic/Thermal(PV/T) system; collector; photovoltaic effect; photovoltaic conversion efficiency; structure design目 录1、 绪论11.1 研究背景11.1.1 太阳能资源优点21.1.2 光热利用现状31.1.3 光伏利用现状31.2 热能利用型光伏发电系统理论依据和研究意义41.3 热能利用型光伏发电系统特点及本文工作5二、热能利用型光伏发电系统概述62.1 热能利用型光伏发电系统的基本组成62.1.1 光热系统的基本组成62.1.2 光伏系统的基本组成62.2 太阳能光热系统的制备与安装72.2.1 太阳能集热器工作原理72.2.2 太阳能集热器系统设计82.3 太阳能光伏系统中的太阳能电池制备与封装82.3.1 太阳能电池原理82.3.2 太阳能电池制备工艺流程9三、太阳能热水器和太阳能电池的合理搭配设计113.1 热能利用型光伏发电系统合理设计113.2 实际应用中提高系统转化率13四、结论14五、参考文献15 致 谢17一、绪论1.1 研究背景由于人口的快速增长、发展中国家的经济扩张及人们的生活品质不断提高，人类对能源的需求急剧上升，目前主要利用的能源有石油、煤炭、天然气等化石能源，在世界一次能源中约占87%，其中，石油35%、煤炭30%、天然气23%1。而化石能源并非取之不尽、用之不竭。根据国际能源机构统计，目前可供开采的化石能源约为12001530亿吨，以年平均开采量33.3亿吨来算，全球石油储量将于2050年用尽，而中国的储量大概可以用15年；可供开采量的煤炭约为5600亿吨，以年平均开采量33亿吨算，全世界还可供应约230年，中国可用约81年；天然气储量约，以年平均开采量24108m来算，全球天然气储量将在6070年内用尽，而中国的储量只可用30年2（图1.1）。当今能源储量不断衰减与能源需求量不断增长的矛盾逐渐加剧，能源问题越来越突出，如果不寻找新的替代能源，整个世界将面临一次新的能源危机3，寻找新能源已迫在眉睫。 图1.1 世界和中国化石能源可使用年限目前，前景较好的替代能源有太阳能、风能、地热能等可再生能源。资料显示，到2050年，可再生能源的利用将会占到总的能源的50%以上4。其中太阳能的开发和利用已成为全球能源研究的热点，许多成熟的技术给解决全球能源危机带来了希望。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。虽然有一些间歇性、低密度、空间分布变化和现今的利用效率不高的缺陷。但是光伏组件制造工艺的不断改进, 光伏组件的价格的持续下滑，光伏发电逐渐引起了人们的重视,其前景是非常广阔的，所以世界各国都在加强太阳能的开发和利用。如美国“百万太阳能屋顶计划”、“阳光计划”，日本的“朝日计划”、“阳光计划”、“光月计划”、德国的“十万屋顶计划”等。太阳能热利用的效率能够达到6070%，但得到的能源品位通常不高，而能够得到高品位能的太阳能光伏发电，其利用效率比较低。当太阳光照射到光伏电池组件上时，只有部分能量能够被其转换成电能，其余的能量不但不能转化成电能输出，还会成为废热使得光伏发电效率下降。所以提高系统的效率、降低系统综合成本已成为太阳能光伏系统应用的关键。1.1.1 太阳能资源优点太阳能是太阳内部核聚变反应所释放的能量。太阳能有如下优点： (1)普遍：太阳能如空气一样，没有地域的限制，无论海洋或陆地，无论岛屿或高山，相对于其他能源来说是一种存在广泛、平等给予、便于采集且无须开采和运输可直接开发和利用的能源。正因为世界各地都有太阳能可供就地取用，有利于缓解偏远或交通不便地区等的能源供应问题；(2)巨大：地球表面每年所接收的太阳辐射能相当于170万亿吨煤，其总量是目前世界上可以开发的能源中最大的，相当于现今全球能源消耗总量的2万倍；(3)长久：据研究太阳系已经存在约50亿年之久,太阳能源自于其内部高压高温下所进行的热核反应。以太阳产生的核能速率估算，太阳足够维持80亿年之久，而地球的寿命约为几十亿年，因此，从这个意义上讲，太阳能可谓是取之不尽，用之不竭； (4)清洁：开发利用太阳能时既不会污染环境，也不会破坏生态环境，它是最清洁能源之一，且无危险，这在环境污染越来越严重的今天显得尤为重要。这些优势使其具有极其广阔的前景。目前，太阳能的利用方式主要分有两类：一类是光热利用，另一类是光伏利用。1.1.2 光热利用现状太阳能热利用应用广泛，可以归纳为建筑用能与太阳能热发电，建筑用能主要包括生活热水、采暖和空调。其中现今利用最活跃的是太阳能热水器如图1.2所示。图1.2 太阳能热水器太阳能热水器是现今太阳能热利用应用最为普遍、商业化程度最高、技术相对最成熟的装置。经过20多年的发展，我国太阳能热水器行业进入了一个新的历史阶段，规模与技术在不断发展和成熟。到2013年，世界上80%左右的集热器都是由我国生产，我国成为世界上太阳能热水器产量和销售量最大的国家5。现在使用比较多的太阳能收集装置，有平板型集热器、聚光型集热器和真空管集热器三种。工作原理是温室效应，由于顶部透明盖板能透过大部分短波而阻挡住大部分长波，太阳光短波辐射使吸收板升温，不断加热管道内的传热工质。但是，太阳能热水器受气候环境影响较大，在日照时间少的情况下经常达不到用热指标。因此提高集热性能，扩大适用季节和范围是我国未来太阳能热水器的发展方向。1.1.3 光伏利用现状太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池(图1.3)的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换为电能的一种新型系统，有独立和并网两种系统。在传输方便，通用性、可存储性等方面有着无可替代的优势。此外，太阳能光伏电池最常用的原料-硅储量丰富，而且光伏发电效率在不断提高、成本不断下降，使得太阳能光伏发电将成为未来能源和人类社会中的一个重要的角色。除此之外，光伏发电还有着许多的优点：（1）维护简单，易于使用。（2）安全、环保、没有噪声。（3）运输安装方便，施工周期短。（4）结构简单，体积小且轻。（5）可靠性高，使用寿命长，应用范围广6。图1.3 太阳能光伏板当今世界光伏产业已成为发展最迅速的高新产业之一，2005年全球光伏组件产量已达到1200MW7。据专家预测，到21世纪中叶，在整个能源利用结构中光伏发电将占2030%8。1.2 热能利用型光伏发电系统理论依据和研究意义实验研究表明，单晶硅太阳能电池理论上的最大转换效率在0时有30%9。而在实际应用中, 硅太阳能电池的转换效率在标准条件下约为12%17%10。我们可以看出有82%以上的太阳能未能转换为有用能量,也可以说成一部分能量转化为了热能,并使硅太阳能电池自身的温度升高，从而导致功率下降。硅太阳能电池光电转换效率随温度变化的曲线如图1.4所示11,即电池温度每升高1,相对效率约下降0.5%12。图1.4 太阳能硅电池光伏效率随温度变化曲线因此有人提出,通过流体流动将太阳能电池温度升高的热量加以回收利用,这样即能降低光伏电池温度，使其不在高温下运行，提高其光电转换效率和使用寿命，又能得到额外的热量,即同时得到热、电两种输出，从而提高太阳能的综合利用效率。于是热能利用型光伏发电系统由此产生。热能利用型光伏发电系统与独立的集热系统和光伏发电系统相比,可以共用一些组件降低成本，减少安装面积也有利于建筑美观。1.3 热能利用型光伏发电系统特点及本文工作热能利用型光伏发电系统具有太阳能热水器与太阳能电池阵列组合的功能，它具有如下特点：（1） 太阳电池的转换效率大约为17%，加上集热功能，热能利用型光伏发电系统可使综合能量转换效率提高：（2） 集热流体的循环运动可促进太阳电池阵列的冷却效果，可抑制太阳电池单位温度上升而转换效率下降13，提高太阳能的利用率。也就是在单位时间单位面积内利用光的能量的同时也利用光的热能提供热水并且降低了太阳能电池的温度，使太阳能电池的转换效率大幅地提高了。因此本文重点介绍热能利用型光伏发电系统的构成、原理、组装及应用。2、 热能利用型光伏发电系统概述2.1 热能利用型光伏发电系统的基本组成2.1.1 光热系统的基本组成光热系统中产生的热水可加以利用，比如提供生活热水或某些工艺需要的低温热水。因此，本文采用水作为集热流体。太阳能光热系统的基本组成部分：集热器、蓄热槽、贮热水槽、热泵，暖气和冷气负荷。如图2.1所示。集热器：能将太阳能的热能收集起来并转换为热能的器件；贮热水槽：将从集热器出来的热水收集起来的容器；热泵：能使热水和冷水循环加强换热效果的器件。图2.1 光热系统组成图2.1.2 光伏系统的基本组成 太阳能光伏系统的基本组成部分：太阳电池组件、贮能装置（蓄电池）、调控装置（防止反冲或隔离、防过放、稳压等装置）、负载和连接装置（电缆）。如果光伏系统存在交流负载，还需要加入直流交流逆变装置。其中太阳电池组件是直接将太阳能转换为电能的光电转换装置；蓄电池是在电力富余时将太阳能转换后的电能储存起来的装置；电缆用于电子器件以及光伏方阵之间的电气连接；直交流逆变器是能将系统中太阳电池组件所发出的直流电转变为交流电的电子控制器件。如图2.2所示。图2.2 光伏发电系统组成图2.2 太阳能光热系统的制备与安装2.2.1 太阳能集热器工作原理太阳能集热器工作原理：将太阳能转换成热能主要依靠集热管，介质在集热板内由于热虹吸而自然循环，将太阳辐射的热量传送到水箱中，在水箱中通过热交换将热量传递给冷水，也可以通过热泵实现传热，集热管通过使用冷水下沉热水上浮的原理，使水循环而得到所需的热水。集热器：能将太阳能的热能收集起来并转换为热能的器件。集热器能吸收太阳能的热能并使能量不向外发散。由于集热器利用的是太阳的辐射热能，所以只有在太阳辐射达到一定值的时候才会加热。集热器有多种型号，其中细管型集热器在热能利用型光伏发电系统中可以得到比较合理的搭配。主要由铝扁盒组成。 保温箱：储存热水的容器。通过集热器加热的热水通过保温箱的储存，可以有效防止热量的损失。热水器中可以使用的水容量称为太阳能热水器的容量，真空管中不能使用的容量并不包括在内。太阳能热水器保温箱分为三部分：外壳、保温层、内胆。外壳一般为不锈钢板、镀铝锌板等。保温层的保温材料的好坏直接影响保温效果，目前聚氨脂整体发泡工艺保温是较好的保温方式之一。内胆是水箱储存热水最重要的部分，其材料的耐腐蚀性和强度至关重要，市场上搪瓷、不锈钢等材质都为不错的选择。保温好，耐腐蚀，水质清洁是保温水箱的基本要求。连接管道：将冷水从保温箱输送到集热器，将热水从集热器输送到保温水箱的管道，使整个系统形成闭合回路。连接正确、设计合理的管道对系统的工作状态至关重要。太阳能热水器至用户的连接管道必须做保温处理。支架：支撑保温水箱和集热器的架子。要求结构牢固，稳定性高，耐腐蚀。材质一般为铝合金、不锈钢等。控制部件：一般太阳能热水器控制系统是不可少的，如显示水位和水温、自动上水、水满断水，带电加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。 2.2.2 太阳能集热器系统设计太阳能集热器的基本组成是保温水箱和集热器，辅助能源为水箱提供热量，使热水保持在某一温度。热水系统可分为自然循环(图2.3)和强制循环(图2.4)两种。在自然循环系统中，水箱位于集热器的上方，当集热器中的水吸收了热能建立了密度梯度时，水就可以通过对流进行自然循环。而强制循环系统不必将水箱置于集热器上方，因为在系统中增加了一个水泵，水泵由一个差动控制器进行控制，当水箱底部的水温比上联箱中的水温低若干度时，控制器就会启动水泵。图2.3 自然循环热水系统 图2.4 强制循环热水系统2.3 太阳能光伏系统中的太阳能电池制备与封装2.3.1 太阳能电池原理太阳能电池的原理：太阳能电池有p型半导体和n型半导体，当半导体p型和n型结合在一起，形成p-n结时，因为多数载流子扩散，形成空间电荷区域，形成一个从n型半导体指向p型半导体的不断增强的内建电场，从而导致多数载流子反向漂流。平衡后，漂移产生的电流和扩散产生的电流是相等的。如果光照在p-n结上，而且光能大于p-n结的禁带宽度，p-n结附近将产生电子-空穴对。由于内建电场，产生的非平衡电子载流子将漂移向空间电荷区两端，产生光生电势压，破坏了原有的平衡。如果连接p-n结的外部电路和内部电路，则电路中会出现电流，称为光生伏特现象或光生伏特效应14，是太阳能光电池的基本原理。2.3.2 太阳能电池制备工艺流程（1）太阳能电池产业流程：硅料提纯-铸锭切片-电池制造-组件封装-光伏应用。（2）设备：熔炼炉、铸锭炉、切片机、清洗制绒设备、高温扩散炉、等离子刻蚀机、二次清洗机、PECVD镀膜机、丝印烘干炉、高温烧结炉、测试分选设备、层压机、逆变器等。（3）太阳能电池所用材料主要有单晶硅、多晶硅和非晶硅：A单晶硅太阳能电池单晶硅电池是当前开发的最快的一类太阳能电池，它的生产工艺已定型,产品已得到广泛应用。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右。这类电池在市场上最为成熟，在光伏市场中约占42.2%15。单晶硅太阳能电池的生产过程大致可分为五个步骤：提纯；拉棒；切片；制电池；封装。单晶硅材料的制备方法主要有直拉法和区熔法。 直拉法：在石英坩埚中将晶体硅加热熔化，用籽晶与硅液面进行接触，然后向上提升生长出柱状晶棒。直拉法的发展方向是增大直径；提高生长速度和降低成本；质量控制是减少碳、氧和杂质的含量，减少晶体中的缺陷。区熔法：区熔法生长的单晶硅质量佳，但生产成本高。B多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池是使用硅锭形成的各种硅晶体制成的。转化效率比单晶硅电池稍低，通常为13%15%。相比单晶硅太阳能电池，多晶硅电池材料制造简易、能耗少、成产成本较低，因此得到大量发展。多晶硅材料的制备方法是改良西门子法。改良西门子法：在1100左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。C非晶硅太阳能电池就晶体硅而言，非晶硅不具有有序的晶体结构特征。转换效率低通常5%10%。与其他晶体组件相比，它具有低成本优势。3、 太阳能热水器和太阳能电池的合理搭配设计3.1 热能利用型光伏发电系统合理设计研究表明，硅太阳能电池将光能转换成电能的过程中，并不是将所以的光能转换成电能。单晶的理论最大转换效率在0时有30%，而在实际应用中，在标准条件下的硅太阳能电池的转换效率约为12%17%。也就是说，太阳能电池只能将12%17%的光能转化为电能，其余的82%以上的太阳能都被转化为热能。在转换的过程中，热能的增加也导致电池温度不断上升，除了光电转换效率大大降低外，太阳能电池的使用寿命也会缩短。为了尽可能的充分利用吸收的太阳辐射能，使太阳能电池保持较高的转换效率，同时避免热量影响组件的光电转换效率，延长电池的使用寿命，可以将导热层设置在太阳能电池组件上，吸收并传导光电转换过程中产生的热能，并通过导热组件导出组件结构，供给热能设备使用。导热层直接设计在组件内虽然优势突出，但其制造工艺较为复杂，成品合格率低。因此本文提出另一种可以轻易实现太阳能电池组件取热的方法，结合太阳能光伏发电与太阳能热水器，将太阳能电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热面板上，构成热能利用型光伏发电系统。为了验证该系统是否具备较高的效率和得到较高温度的热水。本文设计了一台基于家用扁盒式铝合金太阳能热水器基础之上的自然循环式热能利用型光伏发电实验系统。为使系统具备家庭实用性，实验选用家用型平板太阳能热水器和已商品化的硅太阳能电池组成一套完整的热能利用型光伏发电系统。系统中，电池采用多晶硅太阳能电池，该硅太阳能电池组件的转换效率在太阳辐射标准状况下约为15%，热水器的集热板采用目前市场上较少的一种新型扁盒式铝合金集热板，该集热板是用多条厚1cm、有效宽度8.5cm、材质厚度1mm的扁盒式铝合金型条并列组合拼装而成，集热板结构如下图3.1所示。图3.1 扁盒式结构图与管板式集热板相比，扁盒式集热板肋片效率可认为等于1，传热效果好。相同的进水温度，扁盒式集热板上下温差比管板式集热板小，更加有利于提高硅太阳能电池的转换效率和减少热损失，提高系统的综合利用效率。将硅太阳能电池用导热性能良好的密封胶分别贴附在各扁盒式铝合金型条上半部表面，其间用不透明PPT绝缘，表面覆盖透明的乙烯醋酸乙烯脂(EVA)材料，将各层连同铝合金型条用真空层压机抽真空紧密压制，以保证各层接触紧密，密封良好。太阳能电池组件贴附完成后将各型条并列拼装成一块完整的集电热板。整个集热板表面平整。再在集电热板上覆盖4mm厚的钢化玻璃，最后集电热板、绝缘背板和玻璃盖板一起用铝合金边框密封。在实际应用的光伏系统中，硅太阳能电池在标准状况下的转换效率为15%，通过蓄电池和逆变器等，可将产生的直流电贮存起来或转变为220V标准交流电供家用电器直接使用。实验中所使用的扁盒式铝合金集热板可通过改变拼装的扁盒式铝合金型条数目而随意改变；表面平整，易于将光伏电池真空层压在表面上；尤其重要的是型条之间接连接良好，外表面平整美观，易于和建筑相结合，如图3.2所示，在得到电力和热水之外还可以减少建筑物热负荷，具有广阔的应用前景。 图3.2 热能利用型光伏发电系统屋顶安装示意图与光伏发电系统和集热系统相互分离相比，热能利用型光伏发电系统将太阳能电池和热水器合二为一，大大提高了能源利用效率，因此可以利用面积有限的场合如屋顶或建筑外墙等，以增加单位面积上的热电产出。3.2 实际应用中提高系统转化率实际应用中提高热能利用型光伏发电系统工作效率的方法：一、把热水器内的水进行循环，给太阳能电池板降温，同时还能将水箱里的水变成热水。二、尽可能让太阳能电池板垂直于太阳光。三、用黑色导热的涂料均匀涂抹在受太阳光照射的板面上。而在水循环系统中最好放置热敏感应器来检测水温，用来防止冷热不均而导致系统的工作效率下降。4、 结论热能利用型光伏发电系统中的太阳能光电转换效率既取决于太阳能电池的材料,也受环境的影响,改变不利的环境因素(高温)以及采取温控技术,都有助于提高太阳能光伏系统的转换效率,增加太阳能的利用率和延长太阳能电池的使用寿命。本文所提出的热能利用型光伏发电系统,综合了光伏和光热的优点,可以更高效地利用太阳能,同时还可以有效地克服太阳能电池由于温度升高而引起的光电转换效率降低16。热能利用型光伏发电系统是近年来应用太阳能发电的一种新概念,它有很好的收益、明显的节能效果和较长的使用寿命,因此有着广阔的应用前景。五、参考文献1 张凇源,关欣,王殿华等.太阳能光伏光热利用的研究进展A.化工进展,2012,31,323-327.2 孙健.低倍聚光太阳能光伏光热一体化系统的研究:东南大学博士A.南京:东南大学,2010,1-3.3 郭文娟,薛惠锋.可再生能源的利用与可持续发展.见:陕西省新兴能源与可再生能源发展学术研讨会论文集.西安:2011,334-336.4 Manzano-Agugliaro F, Alcayde A, Montoya F G, et al. Scientific production of renewable energies worldwide:An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews,2013,18,134-143.5 张淞源，关欣，王殿华，郭志波.太阳能光伏光热利用的研究进展A.化工进展，2012，(31).6 薛钰芝.太阳能光伏发展应用现状及未来展