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 System

Wei 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1

1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