太阳能光伏发电技术的应用与发展

太阳能光伏发电技术的应用与发展

20世纪70年代，能源危机爆发，煤炭、石油、天然气等重新能源变得越来越紧迫。新能源替代传统能源已成为紧迫的选择。美国的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明,太阳能将在21世纪初进入一个快速发展阶段,并在2050年左右达到约30%的比例,仅次于核能占第二位。太阳能的利用通过设备将太阳辐射吸收后,提供给用户热能或通过机械做功、光伏发电等技术提供用户电能,如图1所示。目前在太阳能利用的几种方式中,太阳能光伏发电技术和太阳能光热利用技术较为成熟。1光伏发电产业现状太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件,光伏发电利用太阳光短波部分,激发电子跃迁,产生电势,直接输出产生电流,过程如图2所示。1954年,美国贝尔实验室的Chapin等研制出了世界上第一个多晶硅太阳能电池,电效率位6%,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。从1954~1998年,美国、俄罗斯和德国等国家不断对太阳能电池进行研究,电池的效率在不断提高。最近10年世界光伏产业发展迅速,在2001~2008年期间,全球光伏发电新增容量持续快速增长,年均增速达50.2%,复合增长率为47%,2008年产量达到6.85GW。目前,太阳能光伏发电技术利用主要集中欧洲,占世界安装总量的81%。德国从2003年采取优惠政策推动光伏发电的发展,使得民众大量安装光伏系统。如图3所示,光伏安装容量在2010年达到7.4GW,占世界安装总量的44.4%,是目前全球最大的太阳能发电市场。西班牙则发展迅速,2007年新增太阳能光伏发电装机容量640MW,成为全球新的第二大市场。我国在国际市场和国内政策的拉动下,光伏产业逐渐兴起并迅速发展,于2007年开始成为世界太阳能电池第一制造大国,同时涌现了无锡尚德、保定英利、苏州阿特斯和常州天合等一大批优秀的光伏企业,带动了上下游企业的发展,中国光伏发电产业链正在形成。使用太阳能光伏发电,能有效减少二氧化碳的排放,减少温室效应,降低常规能源消耗。无论从能源安全的长远战略角度出发,还是从调整和优化能源结构需求考虑,太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位。在目前情况下,完全商业化运作的光伏发电上网电价远远超出火力发电,价格上无法与火电竞争。因此,光伏发电市场现阶段一方面需要不断开发新的工艺、技术和材料,降低生产成本;另一方面也需要国家出台相关政策大力支持。2用太阳能热处理2.1太阳能热泵生产设备太阳能热水器是太阳能热利用主要产品之一,也是目前太阳能热利用中较为成熟的技术。它利用温室原理将太阳能辐射收集起来,转变为热能向冷水传递热量,从而获得热水的一种装置,与燃气热水器、电热水器并称三大热水器。目前使用较多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器3种。经过二十多年的自主发展,我国太阳能热水器产业进入新的历史阶段,其规模与技术在不断扩大与成熟。至2010年,我国生产集热器产量占世界的80%左右,成为世界上太阳能热水器产量和销售量最大的国家。但是,常规太阳能热水器的热性能受气候环境影响较大,在阴雨天气或日照时间少的地区往往达不到用热指标,同时对建筑外观有一定的影响。因此,积极开展技术创新,提高集热性能,扩大适用的季节和范围,实现集热器与建筑一体化是我国未来太阳能热水器的发展方向。2.2被动式太阳房太阳能系统太阳能房采暖方式可分为主动式和被动式。主动式太阳房是依靠太阳能集热器、管道、风机或泵、末端散热设备及储热装置等组成的强制循环采暖系统,如图4所示,目前被应用最为广泛的是太阳能低温热水地板辐射采暖系统。被动式太阳房是利用建筑本身作为集热介质,通过建筑朝向和周围环境的合理布置,内部空间和外部形体的巧妙处理,以自然热交换的方式使房屋在冬季能够收集、储存和分布太阳能,适度解决房屋的采暖问题。由于太阳能本身具有低密度、不稳定性和间断性等缺点,加上建筑供冷暖对连续性和舒适性要求较高,主动式太阳能供冷暖系统在实际应用中尚存在许多如系统庞大、初投资高、稳定性和可靠性较差等问题,极大阻碍太阳能供冷暖系统的实际应用。对于被动式太阳房,受晚上和天气变化影响大,室温常常不能维持在所需要的温度,舒适感差,需要增加辅助热源,在一定程度上增加了初投资。另外,中国城市绝大多数房屋为多层和高层建筑,限制了被动式太阳能房的设计。2.3国内外研究现状太阳能热泵是一种把太阳能作为低温热源的特殊热泵,将太阳能技术和热泵技术相结合,以其高效、节能、环保等诸多优点已日益成为国内外各高校学者们研究的重点。在市场应用方面,美国的SolarKing系列以及澳大利亚的Quantum系列走在了产业化的前段。根据集热器与蒸发器的组合方式,太阳能热泵可分为直膨式和非直膨式。2.3.1太阳能热泵系统简介直膨式太阳能热泵系统将集热器与热泵蒸发器结合,使制冷工质流经集热/蒸发器时吸收太阳能和环境中的热量,经压缩、冷凝放热后可用以制取生活热水,如图5所示。直膨式太阳能热泵较非直膨式相比,节省了非直膨式系统中集热循环与热泵循环之间的换热设备,结构简单、成本低、性能良好、设备寿命长,已日益成为了人们研究关注的重点。直膨式太阳能热泵系统的关键技术在于集热/蒸发器的设计及其与系统的匹配、循环工质的选择等。国外对直膨式太阳能热泵热水系统研究开展比较早,1955年,美国西弗吉尼亚的Spom和Ambrose第一次提出了直接膨胀式太阳能热泵的概念,实验研究表明:虽然压缩机容量太大,集热器面积太小,二者严重不匹配,但实验研究还是表明直膨式结构可以同时提高热泵机组和太阳能集热器的性能。此后,一系列学者针对直接膨胀式太阳能热泵进行了一系列的理论分析和实验研究,取得了大量的成果如表1所示。国内对于直膨式太阳能热泵的研究较国外起步晚,但在短短的十几年内,天津大学、上海交通大学、上海海洋大学等在此方面取得一定的成果,如表2所示。将集热器作为热泵蒸发器可大大提高系统热性能,但这种结构受外界工况影响较大,季节适应性较差。这里对直膨式太阳能热泵系统结构提出改进,改进后的系统图如图6所示。改进后的系统具有以下特点。(1)采用并联式集热器,改善了以往常规蛇形管集热器中流动阻力和压降较大、制冷剂分布不均匀的问题。(2)采用板式换热器作为冷凝器,解决了以往沉浸式冷凝器对水质污染和管壁自身腐蚀的问题。(3)能够根据外界环境变化实时调节集热面积,不仅使系统能够实时运行在最佳工况,也降低了采用变频压缩机和电磁膨胀阀的投资费用。2.3.2太阳能热泵供热简介在非直膨式太阳能热泵系统中,集热器和蒸发器分立,集热器侧的工质吸收了太阳能而升温,这部分升温工质作为热泵系统中蒸发器的热源。该系统的优点在于当太阳辐射充足的情况下,可以直接利用太阳能集热循环进行供热,不需要开启热泵机组;当太阳能辐射不足时,开启热泵机组来满足供热需求,这种供热模式使得系统稳定性好,而系统的规模、尺度和复杂程度均大于直膨式系统,且集热循环存在管路腐蚀、冬季防冻、夏季防止过热等问题,这些缺点都限制了它的推广和应用。国内相关研究也取得一定的成果,如表3所示。太阳能热泵将热泵节能技术与太阳能供热有机地结合起来,不仅弥补了后者单独工作时存在的不足,而且具有结构紧凑、形式多样、运行可靠、节能明显、寿命长、可以实现与建筑的一体化结合等优点。但是我国太阳能热泵的发展还存在一些问题。(1)太阳能热泵系统中各部件的匹配并未达到最优值,性能有待进一步提高。(2)由于太阳能的间歇性和不稳定性,使得系统初投资较大。要使太阳能热泵热水器在我国真正实现民用化和商业化发展,还必须根据本国国情,借鉴国外先进经验,依靠自身的力量进行研究,开发出具有自主知识产权的新产品,实现太阳能热泵的商业化和规模化,满足太阳能资源的综合有效利用。3太阳能光伏光伏一体化在光伏电池的工作过程中,光电转化效率一般只有入射能量的5%~15%,其余80%以上都转化为热能使得电池板升温。电池的温度每升高1℃,其光电转化相对效率下降约0.5%。若在PV板中用空气或水来作载热介质带走PV模块上的热量,经过加热后被用作采暖或是供给热水系统,同时降低电池板的工作温度,提升光电效率,这种利用方式将大大提高太阳能的综合利用效率。因此,将光伏与光热结合起来的能量综合利用系统———太阳能光伏光热一体化(solarenergyphotovoltaicthermalsystem,PV/T)应运而生。20世纪90年代,国外各高校、学者针对PV/T系统进行了大量的研究工作,如表4所示。国内关于太阳能光伏光热联用系统的研究起步较晚,但经过近些年的发展也逐渐形成体系,如表5所示。太阳能光伏光热系统具有良好的光电/光热效率和显著的节能效果,有着广阔的应用前景。4太阳能热泵系统的发展前景太阳能作为一种开发潜力巨大的可再生能源,已经引起了世界全国的广泛关注。对于太阳能利用技术,加快技术发展,扩大市场推广,提高利用效率满足我国甚至全球的能源需求具有重大的意义。本文对太阳能光伏光热利用进行分析,得到如下结论。(1)从调整和优化能源结构需求考虑,太阳能光伏发电会占据世界能源消费的重要席位,目前需要开发新的工艺、技术和材料,降低生产成本同时需要国家出台相关政策大力支持。(2)太阳能热水器是太阳能热利用主要产品之一,我国太阳能热水器已经成为世界上太阳能热水器产量和销售量最大的国家。未来发展方向为通过技术创新提高集热性能,扩大适用的季节和范围,实现集热器与建筑一体化。(3)太阳房采暖在节能、环保方面的优越性使其得到越来越多的应用,但系统庞大、初投资高、稳定性和可靠性较差等是下一步要解决的问题。(4)太阳能热泵系统将太阳能技术和热泵技术相结合,提高了系统的能效比。直