（动力工程及工程热物理专业论文）复合抛物面聚光型太阳能电热联用系统性能实验.pdf

experimental study of hybrid solar pv/t system with compound parabolic concentrator a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of international trade by ke wang supervisor: prof. qinghua chen a. prof. wenzhi cui major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china apr. 2008 中文摘要 i 摘 要 太阳能的电热联用（pv/t）是将太阳电池组件和太阳能集热器结合起来，太 阳电池组件作为集热器的吸热体，同时将太阳能转化为电能和热能，以提高太阳 能总利用效率的综合利用系统。聚光型 pv/t 系统在典型的 pv/t 系统基础上安装 了聚光装置，将太阳光聚集到太阳电池组件上以提高太阳辐射强度、增加电池组 件的输出功率和集热器的热功率。迄今为止，聚光型 pv/t 系统研究中加入的聚光 器多为需要跟踪的菲涅尔透镜或抛物面反射镜等，对无需跟踪、制造成本低廉的 平面镜单元类复合抛物面（cpc）聚光器和结合内置流道式集热器的聚光型 pv/t 系统研究较少。 本文根据以往研究成果，设计并制造出了一种平面镜单元类 cpc 聚光器和内 置流道式铝板集热器，将单晶硅太阳电池板粘贴于集热器上构成 pv/t 集热器，并 将其放置于聚光器支架上形成整个聚光型 pv/t 系统， 理论分析和实验研究其聚光 及光电和光热转换性能，得到以下主要结果： 实验测得电池板短路电流与太阳辐射强度成正比，电池板温度变化对其影 响不大；开路电压与太阳辐射强度的对数成正比，与电池板温度成反比，电池板 开路电压温度系数为-0.0144v/k； 聚光器接收面宽度方向上光强分布不均，实际聚光比基本在接收面的中心 位置达到最高，并依次往两边下降，边缘处最低。由此提出聚光型 pv/t 系统的集 热器设计应充分考虑聚光均匀性等问题，改进其设计以更好的达到冷却电池板和 集热的效果； 集热器在体积流量v15l/h 时离进口较近处流道内水流短路严重， 影响集 热器温度分布的均匀。据此将适合实验的流量范围定为v=10l/h15l/h； 聚光使电池板的功率输出有很大提高，虽然电效率与辐射强度变化趋势相 反，但对实际使用影响不大。电池板温度升高引起输出功率和效率的急剧下降， 其影响要大于辐射强度的变化，因此尽可能降低电池板的工作温度以提高电池板 的输出功率比采用成本较高的聚光器综合成本效益更高； 集热器中通水冷却对电池板温度的降低和整体性能提升作用显著，在适合 实验的流量范围内，系统的综合效率随着流量的增加而增加，当v=15l/h 时，综 合效率达到实验测试中的最大值 0.793。 关键词：关键词：太阳能，电热联用系统，集热器，聚光器 重庆大学硕士学位论文 ii 英文摘要 iii abstract hybrid solar photovoltaic/thermal system (pv/t) is an integration of photovoltaic cells into a solar thermal collector, which offers thermal energy while generating electricity and improves the total efficiency of solar energy utilization. concentrating pv/t system, which adds the concentrator based on the typical pv/t system, can increase the solar radiant intensity, the output of the solar cells and collector by focusing the light on the solar cells. so far, the concentrating pv/t systems which contain the fresnel lens and parabolic reflector are studied a lot, but the system combined with the composite plane mirror cusped linear solar concentrator with flat absorber and the collector with integrative flow channels is seldom studied. the concentrator which is analogous to the compound parabolic concentrator (cpc) has the advantages of non-tracing and lower cost. the analogous cpc and the aluminum collector with integrative flow channels are designed and manufactured based on the former studies, and the pv/t collector attached with monocrystalline silicon solar cells is put on the concentrator frame. the concentrating, electrical and thermal characteristics of the pv/t are theoretically and experimentally studied. the key results are shown as following. the short-circuit current of the solar cells is proportional to the radiant intensity, but the cell temperature is less influenced. the open-circuit voltage of the solar cell is reversely proportional to the cell temperature, and is logarithmically proportional to the radiant intensity. the voltage-temperature coefficient of the solar cell is -0.0144v/k. the concentrating radiant intensity distribution on the receiver plate is non-uniform: the actual concentrating ratio is highest in the middle of the receiver, and drops down to the both side and is lowest on the edge. the design of the concentration pv/t should consider the non-uniform distribution of solar radiant intensity. the water fluid is serious short-circuit in the flow channel near the inlet of the collector while the volume flow rate is greater than 15l/h, which influences the uniform of the collector temperature distribution. the appropriate flow rates in the present tests are between 10l/h and 15l/h. the increasing radiant intensity effected by the concentrating improves the power output of the cells, although the efficiency of them is decreased. the power output and efficiency both dramatically drops with the increase of cell temperature, which has a 重庆大学硕士学位论文 iv stronger influence than the radiant intensity. therefore, it is better to cool the cells by the collector than to increase the radiant intensity by the concentrator. the cell temperature is reduced and the system overall performance is improved in the use of the collector cooled by water, and the system overall efficiency ascends with the increase of coolant flow rate. the overall system efficiency reaches to the maximum value of 0.793, while the flow rate is 15l/h. keyword: solar energy, pv/t, collector, concentrator 目 录 v 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . iii 主要符号主要符号表表 . 1 绪绪 论论 . 1 1.1 引言引言 . 1 1.2 太阳能光伏发电技术概述及发展趋势太阳能光伏发电技术概述及发展趋势 . 1 1.2.1 单晶硅太阳电池 . 2 1.2.2 多晶硅太阳电池 . 3 1.2.3 薄膜太阳电池 . 3 1.2.4 第三代太阳电池 . 5 1.2.5 发展趋势 . 6 1.3 太阳能热利用技术概述及发展趋势太阳能热利用技术概述及发展趋势 . 6 1.3.1 太阳能集热器 . 6 1.3.2 太阳能热发电技术 . 9 1.3.3 发展趋势 . 10 1.4 聚光型聚光型 pv/t 系统概述系统概述 . 10 1.4.1 聚光装置 . 11 1.4.2 pv/t 集热器 . 14 1.4.3 pv/t 系统的研究 . 18 1.5 聚光型聚光型 pv/t 系统的研究、应用现状及发展方向系统的研究、应用现状及发展方向 . 20 1.5.1 理论研究 . 20 1.5.2 实验研究 . 21 1.5.3 应用现状 . 22 1.5.4 发展方向 . 23 1.6 本文主要工作本文主要工作 . 24 2 cpc 型型 pv/t 系统理论分析和实验设计系统理论分析和实验设计 . 27 2.1 理论分析理论分析 . 27 2.1.1 太阳电池工作原理和特性分析 . 27 2.1.2 太阳辐射强度和电池板温度变化对电池性能的影响 . 31 2.1.3 复合抛物面聚光器（cpc）聚光原理分析 . 33 2.1.4 平板集热器和 pv/t 系统的性能评价指标. 37 重庆大学硕士学位论文 vi 2.2 实验设计实验设计 . 38 2.2.1 聚光器设计 . 39 2.2.2 pv/t 集热器设计 . 41 2.2.3 实验装置设计和传热分析 . 44 2.2.4 测试内容和实验安排 . 49 2.2.5 实验误差分析 . 53 2.3 本章小结本章小结 . 55 3 实验结果与讨论实验结果与讨论 . 57 3.1 太阳能电池板性能测试太阳能电池板性能测试. 57 3.1.1 i-v 特性曲线. 57 3.1.2 isc和 voc随辐射强度和温度变化特性 . 58 3.2 聚光器性能测试聚光器性能测试. 61 3.2.1 接收面宽度方向上聚光均匀性 . 61 3.2.2 实际最大聚光比和镜面单元数的关系 . 63 3.3 集热器性能测试和水流动数值模拟集热器性能测试和水流动数值模拟 . 64 3.3.1 集热器上表面温度随辐射强度变化 . 64 3.3.2 流道内水流动模拟 . 66 3.4 聚光型聚光型 pv/t 系统整体性能测试系统整体性能测试. 71 3.4.1 电性能随辐射强度和温度变化特性 . 71 3.4.2 系统整体性能 . 74 3.5 本章小结本章小结 . 75 4 结论与课题展望结论与课题展望 . 77 4.1 本文的主要结论本文的主要结论. 77 4.2 课题展望课题展望 . 78 致致 谢谢 . 79 参考文献参考文献 . 81 附附 录录：作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 . 89 主要符号表 vii 主要符号表 a 集热器长度，mm a 面积，m2 b 集热器宽度，mm c 比热容，j/(kg k) c 聚光比 e pv/t 综合效率 ff 填充因子 g 太阳辐射强度，w/m2 h 对流换热系数，w/(m2 k) i 电流，a k boltzmann 常数，j/k l 厚度，mm m 质量流量，kg/s n 镜面单元数 nu nusselt 数 p 电功率，w pr prandtl 数 q 热功率，w re reynolds 数 t 温度， t 平均温度， v 流速，m/s v 电压，v v 体积流量，l/h 希腊字母 吸收率 镜面单元倾角， 发射率 效率 角度， 导热系数，w/(m k) 动力粘度，m2/s 密度，kg/m3 stefan-boltzmann 常数 透射率 脚标 a 环境 at 倾斜接收面 b 绝缘层 c 电池板 e 关于电的 f 流体 g 玻璃盖板 i 进口；入射 j 粘结剂 m, max 最大值 n 镜面单元 o 出口 oc 开路 p 集热板 r 反射镜面 sc 短路 t 倾斜面 tb 倾斜面直接辐射 th 关于热的 重庆大学硕士学位论文 viii 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 能源是人类生存和发展的必要因素，是社会经济发展的基础和动力，对国民 经济的持续、快速、健康发展和人民生活水平的不断提高起着举足轻重的作用。 然而，进入 21 世纪以来，全球经济持续增长，能源消费不断增加，人类将面临实 现经济和社会可持续发展的重大挑战。能源问题已经成为制约世界各国经济发展 的重要问题，它主要包含以下两个方面： 能源短缺 根据bp 世界能源统计 2007数据显示：2006 年世界一次能源消费量为 108.785 亿吨石油当量，比上年同期增长了 2.4%，低于 2005 年 3.2%的增长率，略 高于过去 10 年的平均水平。以目前的探明储量和开采速度计算，全球石油储量为 1645 亿吨，可开采 40 年；天然气储量为 181.46 万亿立方米，可开采 63 年；煤炭 储量为 9090.64 亿吨，可开采 147 年1。 环境污染 燃烧煤、石油等化石燃料所产生的有害物质，已经对大气、水、土壤等环境 造成了严重的破坏，特别是在局部地区形成的酸雨，严重污染水土；燃料燃烧产 生大量的温室气体占人类活动所排放温室气体的 80%以上，这直接加剧了温室效 应的产生并引起全球气候变暖。政府间气候变化专门委员会（ipcc）2007 年评估 报告中指出：过去的 12 年（1995 年2006 年）中有 11 年被认为是自 1850 年有气 象仪器记录以来的最热年份，全球平均气温已上升 0.560.92；海平面自 1961 年 以来，正以每年 1.32.3mm 的速度上升，全球气候和环境面临着巨大考验2。 目前，各国政府已经意识到上述问题的严重性，并采取了一系列措施来解决。 短期可以通过寻找新的开采源和节能减排来实现；然而从长期来看，要从根本上 解决该问题，只能依靠科技进步、大规模的开发利用清洁可再生能源。太阳能作 为可再生能源的重要组成部分，具有普遍、清洁、经济、总量大等优点，取之不 尽、用之不竭。人类利用太阳能已经有了悠久的历史、积累了丰富的经验，尤其 在最近几十年中在太阳能光伏和热利用技术上取得了显著的进步，应用成本逐年 下降，为今后全面有效的利用太阳能打下了坚实的基础。因此，太阳能必将在世 界能源结构转换中担当重任，成为理想的替代能源。 1.2 太阳能光伏发电技术概述及发展趋势 太阳能光伏发电是指通过太阳电池（又称光伏电池）将太阳辐射能转换成为 重庆大学硕士学位论文 2 电能的发电系统。目前工程上广泛使用的光电转换器件是晶体硅太阳电池，由于 其生产工艺技术成熟，成本相对其他半导体材料而言较为低廉，已进入大规模商 业化阶段。 太阳电池是将太阳光转换为直流电的半导体装置。太阳电池发展已经有 50 多 年的历史，对于太阳电池发展历程普遍接受的划分方法是“三代太阳电池” ，即第 一代晶体硅太阳电池（以单晶硅片、多晶硅片为基础的） ，第二代异质衬底上的薄 膜太阳电池（如玻璃衬底上的多晶硅薄膜太阳电池）和第三代高效太阳电池。商 用的太阳电池主要有以下几种类型：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲 化镉电池等。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳 电池等。世界光伏业尝试了各种半导体材料的光伏电池，但是硅的工艺成熟、材 料质量好、原料丰富、不污染环境、价格低，所以大量生产的光伏电池材料仍然 是硅，硅光伏电池占世界总产量的 98.5%，其中多晶和单晶硅电池共占 90.9%，非 晶硅、带状电池占 7.7%，化合物 cdte 和 cis 电池分别占 1.1%和 0.4%3。 1.2.1 单晶硅太阳电池 单晶硅太阳电池是最早发展的太阳电池，主要用单晶硅片来制造。与其他电 池相比，单晶硅电池的转换效率最高，主要用于光伏电站特别是通讯电站，也可 用于航空器电源，或用于聚焦光伏发电系统。过去由于单晶硅价格过于昂贵，人 们一度认为单晶硅太阳电池会逐渐淡出地面应用太阳电池市场，但是近年来随着 太阳电池朝超薄化发展，工业上已经可以生产厚度小于 200m 的电池片，实验室 甚至可以制备出 40m 厚的电池片，使得单个太阳电池片对原材料的需求大大降 低，2004 年单晶硅太阳电池的市场份额反而较以往有所增加4。 单晶硅电池的实验室实现的转换率可以达到 24.7%， 为澳大利亚新南威尔士大 学创造并保持5。这种电池为钝化发射区背面局部扩散（perl）太阳电池，电池 表面具有倒金字塔织构、双层减反膜以及背反射结构，使电池拥有优异的陷光性 能；利用氧化层钝化电池的正、背两面，增加了电池少子寿命；并且采用点接触 代替原来的全覆盖式的背面铝合金接触，电池结构如图 1.1 所示。另外，高效单晶 硅电池的代表性商品为美国 sunpower 的 a300 太阳电池4和日本 sanyo 的 hit 太 阳电池6。我国北京市太阳能研究所从 20 世纪 90 年代起开始进行高效电池研究， 采用倒金字塔表面织构化、发射区钝化、背场等技术，使单晶硅太阳电池的效率 达到了 19.8%7。 1 绪 论 3 图 1.1 钝化发射区背面局部扩散（perl）太阳电池 fig. 1.1 the perl cell (passivated emitter, rear locally diffused) 1.2.2 多晶硅太阳电池 目前太阳电池使用的多晶硅材料多半是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废 次单晶硅材料和冶金级硅材料熔化浇铸而成，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固 冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成立方体，以便切片加工成方形太阳电池 片，可提高材料利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电 池差不多，其光电转换效率约为 12%15%，稍低于单晶硅太阳电池，但其材料制 造简便，电耗低，总的生产成本较低，因此得到广泛应用。多晶硅实验室实现的 转换率最高可以达到 20.3%，为德国 fraunhofer 太阳能研究所创造8。 1.2.3 薄膜太阳电池 薄膜技术的应用是第二代太阳电池的标志。薄膜技术所需的材料较晶体硅太 阳电池少得多，且易于实现大面积电池的生产，是一种有效降低成本的方法。薄 膜电池主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、碲化镉以及铜铟硒薄膜电池。 非晶硅薄膜太阳电池 1975 年 spear 等利用硅烷的直流辉光放电技术制备出 a-si:h 材料，即补偿了 悬挂键等缺陷态，才实现了对非晶硅基材料的掺杂，使非晶硅材料开始得到应用。 1976 年第一个效率为 1%2%的非晶硅太阳电池被研制出，直到 1980 年非晶硅电 池实现商业化9。 目前非晶硅薄膜电池研究的主要方向是与微晶硅结合，生成非晶硅/微晶硅异 质结太阳电池10。这种电池不仅继承了非晶硅电池的优点，而且可以延缓非晶硅 电池的效率随光照衰减的速度11。目前单结非晶硅薄膜电池的最高转换效率为 16.6%12。 多晶硅薄膜电池 多晶硅薄膜太阳电池是近几年来太阳电池研究的热点。虽然多晶硅属于间接 重庆大学硕士学位论文 4 带隙材料，不是理想的薄膜太阳电池材料，但是随着陷光技术、钝化技术以及载 流子束缚技术的不断发展，人们完全有可能制备出高效廉价的多晶硅薄膜太阳电 池。目前主要用两种技术路线来制备多晶硅薄膜：一种是采用非硅衬底；另一种 是采用低品质的硅衬底4。 日本 kaneka 公司的 star 太阳电池就属于前一种类型， 凭借其优异的陷光技术和结构设计，star 太阳电池的效率达到 10.1%13；我国中 科院广州能源研究所和德国 fraunhofer 太阳能研究所合作研制的 ssp 衬底上的多 晶硅薄膜电池则属于后一种类型，在不使用钝化和陷光技术的前提下，电池的转 换效率达到了 8.25%14,15。德国 fraunhofer 太阳能研究所在此基础上，通过在颗粒 硅带上预先沉积一层穿孔隔离层并对沉积的多晶硅薄膜进行重结晶，制备的多晶 硅薄膜太阳电池的效率达到 11.2%16。 碲化镉以及铜铟硒薄膜电池 碲化镉（cdte）和铜铟硒（cis）的禁带宽度与太阳光谱匹配较好，且属于直 接带隙材料，性能稳定，是很有希望的高效薄膜太阳电池17,18。目前碲化镉薄膜 电池的最高转换效率达到 16.5%，铜铟硒薄膜电池的最高效率为 18.4%19。我国南 开大学制备的铜铟硒太阳电池的效率已经超过 12%20。但是，碲化镉薄膜电池中 镉是一种对人体有害的物质，而铜铟硒薄膜电池中的铟在地壳中的含量非常稀少， 这都不利于规模化生产，而且对元素含量进行大面积精确控制的工艺也非常复杂。 目前这类电池还处于研究和调试阶段，尚无大规模生产应用21。 其他薄膜太阳电池 染料敏化纳米晶电池（dssc）实际上是一种电化学电池，其导电机理是基于 多子输运，与通常基于少子运输的半导体电池不同，因而对原材料纯度要求不高， 加工工艺也较简单，其结构和工作原理示意如图 1.2 所示。solaronix sa 用工业化 原料和方法制备了第一个 45 45cm2的大面积 dssc 电池组件，sti 将世界上第一 个将商业化的dssc电池组件应用在newcastle的澳洲科学及工业研究机构的建筑 上，总面积 200m222。现在研究的热点是采用固体电解液代替液态电解液。 柔性塑料太阳电池工艺简单，价格低廉。多伦多大学研究人员将纳米级 pbs 半导体晶体均匀分散到有机溶剂中，然后调节纳米晶粒，使其具有吸收红外光谱 的能力。利用这种材料制备的柔性塑料太阳电池效率有望达到 30%23，并且在晚 上也可以产生电能。 the gstr m solar center（sc）24分析推测未来十年内晶体硅电池仍然主宰 太阳能市场，薄膜电池由于其可以低成本大规模生产可能成为下一代主要的太阳 电池生产技术。在未来的发展中，dssc 电池要进一步提高性能，产业化率要超过 10%，进一步降低成本，以提高竞争力。 1 绪 论 5 图1.2 染料敏化纳米晶太阳电池结构和工作原理示意 fig. 1.2 work principle of the dye-sensitized nanocrystalline solar cell 1.2.4 第三代太阳电池 提高薄膜太阳电池的转换效率是要解决的主要问题。此外，薄膜电池的性能 稳定性和生产成本也必须达到大规模应用的要求。目前从材料、工艺与理论研究 等方面来看，太阳电池的光电转换效率还可以有很大提高，薄膜电池的发展也还 有充足的发展空间。为此， “第三代”光电转换技术概念应运而生，实现这一概念 的工艺方法也成为当前的热点研究问题。 martin green 认为第三代太阳电池必须具 有如下几个条件：薄膜化，转换效率高，原料丰富且无毒25。目前。已经提出的 第三代太阳电池主要有叠层太阳电池、多带隙太阳电池和热载流子太阳电池等。 叠层电池采用多层电池结构设计，每层电池的能带均不相同，顶层电池的能 带最高，往下依次减少，这样能量高的光子被上面能带高的电池吸收，而能量低 的光子则能透过上面的电池而被下面能带低的电池吸收，从而有效地提高了太阳 电池的效率。在理想的状态下，无限增加电池层的数目，电池的理论效率可以达 到 86.8%26。但是随着电池层数的增加，层间的点阵匹配问题变得越来越复杂， 工艺和技术要求也越来越严，而且为了优化能带结构，势必要用到一些有毒或稀 有元素，这些都不符合第三代太阳电池的要求。 通过适当地掺杂可以在能带中引人中间能级，使太阳光入射到这种材料内部 时，不同能量的光子可以将电子激发到不同能带，从而有效利用太阳光。理想情 况下，通过在单结电池中引入 1 个或 2 个合适的中间能级，电池的转换率分别可 以达到 62%和 71.2%。美国伯克利国家实验室的研究人员在锌锰碲合金中注入氧， 使合金具有 0.73ev、1.83ev、2.56ev 等 3 个能级。这种合金几乎能对整个太阳光 谱作出响应，而且原料丰富，是一种比较理想的太阳电池材料27，用这种材料制 备的太阳电池的效率有望达到 56%。 热载流子太阳电池中的吸收体，由于不需要带边来减缓光激发载流子的能量 重庆大学硕士学位论文 6 弛豫，在太阳光谱的相当宽区域中，载流子吸收都是可以进行的，如果可以避免 光生载流子的热能化损失，采用很窄带隙的半导体材料或者金属可以获得这种宽 区域吸收。该技术的研究目前处于理论初步阶段，在高注入超晶格结构的实验中 观察到了载流子热能化降低的现象28。 第三代太阳电池的理论概念及其工艺实现方法是当前太阳电池研究领域的最 前沿问题，若能够获得成功，将会对整个太阳电池领域的发展起到里程碑式的贡 献。 1.2.5 发展趋势 目前，世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电 产业的健康发展，需要做好以下工作29： 继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率； 研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，实现太阳光最大功率跟踪； 研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优化 组合； 研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击； 探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合，实现建筑物绿色发电与 自我供电； 探索并出台保护太阳能光伏发电发展的政策与法律、法规，对太阳能发电 电价实行保护政策，促进太阳能发电产业的发展。 1.3 太阳能热利用技术概述及发展趋势 人类在太阳能热利用上的技术较光电转换技术更为成熟。太阳能热利用的基 本方式是利用光热转换材料将太阳辐射转换为热能。产生的热能可应用于采暖、 干燥、蒸馏、烹饪以及工农业生产的各个领域，并可进行太阳能热发电、空调制 冷、热解制氢等。其中目前应用较为广泛的技术有太阳能热水器，而具有广阔发 展前途的技术有太阳能热发电和太阳能制冷。 1.3.1 太阳能集热器 太阳能集热器是指吸收太阳辐射并将