太阳能光伏—光热互补利用技术研究综述

张旭军 孙 勇

(河北建筑工程学院能源工程系，张家口 075000)

0 前 言

煤、石油等化石能源的过度使用所导致的环境污染和能源危机问题日益严重，而太阳能由于其资源本身独特的可再生性、无污染性和分布广泛性，得到了全世界范围内的广泛关注.因此，国内外诸多关于太阳能利用技术的研究也随之开展开来.

传统的太阳能利用技术包括光伏利用技术和光热利用技术两种.其中，光伏利用技术主要通过利用光伏电池将全光谱太阳能中所带能量高于电池带隙能的光谱波段转换为电能，来实现对太阳能的利用[1]；光热利用技术主要通过聚光镜等聚光集热装置来聚集太阳热能，并利用所聚集到的太阳热能将导热油、熔盐等传热工质加热至几百摄氏度的高温，以带动汽轮机等热机装置来做功、产电[2]，或者利用所聚集到的太阳热能来驱动光热化学反应以制取太阳能燃料，进而带动内燃机、联合循环发电机组、燃料电池等燃料转电装置来生产电能[3].但对于单一光伏利用技术来说，由于光伏电池仅能利用所带能量高于电池带隙能的光谱波段(通常为紫外与可见光谱波段)，因而不能对太阳能全光谱进行利用，导致所带能量低于电池带隙能的光谱波段(通常为红外光谱波段)不能被有效利用，而只能被转化为焦耳废热；对于单一光热利用技术，其虽然实现了对太阳能全光谱的利用，但由于能量传递过程中能损较大，导致该技术在应用时能量转换效率相对较低.因此，如何实现对太阳能的高效利用是太阳能利用技术中亟待解决的问题.

近年来，光伏—光热互补利用技术作为太阳能利用技术中的一种新方式，逐渐成为了各国学者的研究热点.Wolf等[4]最早提出了将光伏利用技术与光热利用技术相结合的光伏—光热互补利用技术，即将入射的太阳能首先经光伏电池转换为电能对外输出，而后将光伏电池所产的焦耳废热用于光热利用技术中进行利用(用来供热、制冷或发电等).由于该互补技术中利用光热技术对光伏电池所产的焦耳废热进行了有效回收利用，必定会带来太阳能利用效率的提升.通过对将光伏—光热互补利用技术应用在某住宅房间的各项参数进行为期一年的监测，Wolf等研究发现，在相同的太阳直射辐射强度下，相对于单一光伏利用技术和单一光热利用技术，应用该互补技术时对外输出能量可显著增加.因此，通过将光伏利用技术与光热利用技术进行互补，可实现太阳能整体利用效率的提升.本文主要对光伏—光热互补利用技术的分类、原理与研究现状进行了总结、概述.

1 光伏—热机互补利用技术

Chubb等[5]率先提出了将光伏发电技术与热机进行结合的概念，即利用热机来回收光伏电池所产的焦耳废热，这样一方面可有效降低光伏电池温度以提高其效率(光伏电池存在负温度效应)，另一方面可利用热机来做功增加产出.具体的光伏—热机互补系统示意图见图1，如图1所示，该互补系统主要由聚光镜、光伏电池、电能存储单元、热机和热能存储单元等部分组成.系统工作流程为：入射的全光谱太阳能首先被聚集到光伏电池表面，其中，一部分光谱能量被转换为电能并存储到电能存储单元中；另一部分光谱能量被转换为焦耳热能，并被用来驱动热机中所进行的的有机朗肯循环来做功以对外输出能量.研究结果表明，由于通过利用热机对光伏电池所产的焦耳废热进行了有效回收，互补系统效率较单一光伏发电系统和单一光热发电系统均有所提高.例如，相比于单一光伏发电系统，该互补系统效率可提高约2个百分点[6].进一步地，Al-Nimr等[7]对此类互补系统中的关键运行参数进行了灵敏度分析，并定量化地研究了循环初温、环境温度、太阳辐照强度等关键运行参数对光伏电池发电效率、有机朗肯循环效率及整个互补系统效率的影响.研究结果表明，在系统的设计运行工况下，当循环初温低于61°C时，整个互补系统效率会随循环初温的持续上升而不断增加；反之，当循环初温高于61°C时，循环初温的持续上升会引起整个互补系统效率的不断下降.

图1 光伏—热机互补系统示意图[5]

对于光伏—热机互补系统，其效率相对于单一系统会有所提升的原因在于其通过热机内的有机朗肯循环实现了对光伏电池所产焦耳废热的有效回收.需要指出的是，由于当循环温度较高时，有机朗肯循环效率虽然会相对较高，但是受光伏电池负温度效应的影响，光伏电池发电效率会有所下降；而当循环温度较低时，光伏电池发电效率虽然会有所提高，但是有机朗肯循环效率会相对较低.因此，受两者相互间制约的影响，光伏电池与热机相结合的互补系统效率较单一系统提高相对较少.

2 光伏—光热化学互补利用技术

将光伏利用技术与光热化学技术进行互补是有效利用太阳能的另一种途径.例如，李文甲等[8]提出了将光伏电池与光热化学反应(以甲醇裂解反应为例)相结合的互补系统，系统示意图如图2所示，该系统主要由点聚焦式的菲涅尔透镜、光学棱镜、光伏电池和反应器组成，其工作流程为：入射的太阳光线经点聚焦式的菲涅尔透镜及光学棱镜首先聚集到光伏电池表面；光伏电池在产电的同时，释放出焦耳热能，其中一部分焦耳热能通过对流换热及辐射换热等方式散失到外界环境中，剩下部分的焦耳热能通过热传导的方式传递到反应器中，驱动在其内进行的甲醇裂解反应(CH3OH=CO+2H2，ΔH298K=90.1 kJ/mol)，以制取太阳能燃料(CO+2H2).该系统在利用光伏电池产出电能的同时，还可将光伏电池所产的大部分低品位焦耳热能，通过光热化学反应转换为高品位的太阳能燃料对外输出，实现了对太阳能的高效利用.

图2 光伏电池—光热化学反应互补系统示意图[8]

甲醇裂解反应等光热化学反应所产的太阳能燃料可经各种燃料转电装置进一步被转换为电能来进行利用.李文甲等[9-11]将光伏电池与光热化学反应相结合的互补系统与内燃机、联合循环发电机组、燃料电池等燃料转电装置进行了耦合，并分别对各系统性能进行了研究分析.其中，图3为耦合了内燃机的光伏电池—光热化学反应互补系统示意图.如图3所示，除聚光镜、光伏电池、反应器等部件外，该系统还加装了太阳能燃料储存装置及内燃机.由于引入了太阳能燃料储存装置，该系统可实现灵活、连续、稳定的供能：当太阳辐照强度较强时，系统在对外供能的同时可将反应器内光热化学反应所产的多余太阳能燃料，通过储存装置进行存储；当太阳辐照强度较弱、夜晚或供能需求突然增大时，则将储存装置内存储的太阳能燃料经内燃机转换为电能对外输出.同时，由于引入了内燃机，该系统对外输出的能量形式均为电能，研究结果表明，当内燃机效率为33.53%时，该系统的净太阳能发电效率可达39%左右.

图3 耦合了内燃机的光伏电池—光热化学反应互补系统示意图[9]

图4为耦合了联合循环发电机组的光伏电池—光热化学反应互补系统示意图.如图4所示，该系统与图3中所示系统的不同之处在于其在连接的是联合循环发电机组，同样可将反应器内光热化学反应所产的太阳能燃料转换为电能对外输出.相比于内燃机，联合循环发电机组由于对多种热力学循环进行了耦合，因而可以获得更高的热效率.因此，该系统在实现稳定输出电能的同时，还可进一步提高对太阳能的整体利用效率.理论分析结果表明，该系统净太阳能发电效率可达约43%.

图4 耦合了联合循环发电机组的光伏电池—光热化学反应互补系统示意图[10]

图5为耦合了燃料电池的光伏电池与光热化学反应互补系统示意图.如图5所示，该系统与图3中系统的不同之处在于其系统末端连接了燃料电池，以将反应器内光热化学反应所产的太阳能燃料转换为电能对外输出.燃料电池也是一种高效的燃料转电装置，由于其主要通过电化学反应把燃料的化学能直接转换成电能，因而转换效率高且不再受卡诺循环效率的限制.因此，该系统在稳定输出电能的同时，也可进一步提高对太阳能的整体利用效率.热力学分析结果表明，在考虑光学损失的前提下，当系统运行温度范围在100～250℃内时，该系统的理论净太阳能发电效率可达43.6%～44.3%，相比于单一光伏发电系统与单一光热化学发电系统，分别可提高约21、11个百分点.

图5 耦合了燃料电池的光伏电池—光热化学反应互补系统示意图[11]

3 结 语

综上所述，无论是光伏——热机互补利用技术，还是光伏——光热化学互补利用技术，两者均可将全光谱太阳能中高于光伏电池带隙能的光谱波段能量经光伏电池转化为电能对外输出，同时将全光谱太阳能中部分低于光伏电池带隙能的光谱波段能量经热机做功实现能量回收并对外输出，或经光热化学反应转化为太阳能燃料以供使用。光伏——光热互补利用技术通过对单一光伏利用技术与单一光热利用技术的合理、有效耦合，大幅减少了太阳能利用过程中的能量传递损失，进而有效提升了太阳能的整体利用效率，实现了对太阳能资源的高效综合利用。

但需要说明的是，光伏——热机互补利用技术主要是利用热机，通过直接接触传热的方式回收利用光伏电池所产生的焦耳废热，但其受限于光伏电池的负温度效应与朗肯循环的“高温即高效”效应之间的矛盾，其太阳能利用效率提高的幅度有限；而光伏——光热化学互补利用技术主要是通过中低温化学反应对光伏电池所产生的焦耳热进行废热回收，反应时一般不需要过高的温度，故可以成功避免掉上述矛盾，其对于太阳能整体利用效率的提高幅度也就更大。此外，文献[12]曾提出了将透光光伏电池与光热化学反应相结合的槽式聚光光伏——光热化学互补系统，互补系统示意图见图6。

图6 槽式聚光光伏——光热化学互补系统示意图

透光光伏电池不同于普通的光伏电池，其在将全光谱太阳能中所带能量高于电池带隙能的光谱波段转换为电能的同时，可使所带能量低于电池带隙能的光谱波段穿过光伏电池[13]。因此，该系统在将全光谱太阳能中所带能量高于电池带隙能的光谱波段经透光光伏电池转化为电能的同时，可使所带能量低于电池带隙能的光谱波段透过光伏电池，并通过驱动在吸热反应管内进行的光热化学反应，转化为太阳能燃料(CO+2H2)以对外输出，而非让其转化为焦耳废热。在该互补系统的能量转换过程当中，入射到吸热反应管的光谱波段仅为透过的红外光谱波段而非全光谱，而不同的光谱波段所携带的能量不同。因此，当入射的光谱波段仅为透过的红外光谱波段时，吸热反应管的性能会与全光谱太阳能入射时有所不同，对应的系统综合能量转化效率也会随之发生变化。例如，当聚光比为21.4时，该互补系统的总太阳能利用效率可达54%～58%(高于同等工况下的单一光伏/光热化学反应系统约3～5个百分点)。同时，太阳直射辐射强度、甲醇进口流量、甲醇进口温度等关键运行参数会对该互补系统的吸热反应管中的反应管温度、甲醇转化率等产生较为明显的影响。甲醇裂解反应中的反应管温度、甲醇转化率均随太阳直射辐射强度减弱、甲醇进口流量增大、甲醇进口温度减小而逐渐下降。本文的研究工作为后续进行聚光光伏—光热化学互补方法的探索、实践等工作提供了一种可能性。