聚光型太阳能光伏光热系统研究进展
发布时间：2022-03-03
摘 要: 聚光型太阳能光伏光热系统( CPV/T) 在传统光伏发电系统的基础上增加了聚光系统和光热系统，在通过聚光系统提高光伏效率的同时将系统中多余的热量加以利用，以达到太阳能最大化利用的目的。本文介绍了 CPV/T 系统的工作原理及其能效影响因素，以直接影响系统太阳能综合利用效率的聚光器技术、光伏电池技术和光伏冷却技术作为分析对象，结合近几年国内外最新研究成果比较了不同类型聚光器、光伏电池以及冷却方式的优劣，列举了常见的光伏余热利用方式。分析认为: CPV/T 系统虽然具有更高的太阳能利用率，但应加大对系统尤其是聚光器经济性的分析; 考虑在系统中应用叠层光伏电池缓解聚光器带来的系统体积过大问题; 新电池开发过程中应更注意光伏电池的温度系数以减少冷却系统的压力，冷却技术在强化散热的同时也应注意热量的收集方法及其与利用途径的有效结合。
关 键 词: 再生能源; 太阳能; 光伏光热系统; 聚光器; 太阳能电池; 光伏电池冷却; 光伏余热利用
引 言
太阳能光伏光热( PV /T) 综合利用技术最早于 1978 年由 Kern 和 Russell 提出[1]，后续研究者为提高光伏板表面的辐照强度，将太阳能聚光技术应用在光伏光热系统中，以此形成了聚光式光伏光热系统( CPV /T) 。CPV /T 由聚光系统、光伏系统和光热系统组成，其运行原理为: 太阳光在聚光器上被聚集后投射到 PV /T 板表面，接着穿过透明玻璃盖板被光伏电池吸收并发生光伏效应，为防止因光伏电池温度升高而降低光伏性能，在光伏板内放置热量传输结构层，将多余的热量转移并加以利用，进而提高太阳能的综合利用效率。
虽然国内外的许多学者已经对 CPV /T 系统进行了大量研究，但往往局限于系统中某一组分对整体性能的影响，而缺乏对系统各部分的综合理解。在 CPV /T 系统运行过程中，聚光器和光伏电池的种类，以及光伏冷却的方式对其性能起决定性的作用。本文从 CPV /T 系统的 3 项关键技术入手对国内外学者的研究进行综述，列举了热能利用的常见方式，为 CPV /T 系统的综合研究提供参考。
1 聚光器技术
使用聚光器可使系统在达到相同经济效益的同时，减少光伏电池数量可以提高 PV /T 系统的性价比。聚光器的种类总的来说可以分为折射型和反射型[2]。
1. 1 折射型聚光器
菲涅尔透镜由于具有成本低、易生产的特点成为折射型聚光器的代表。Xu 等人[3]将透镜与光学棱镜相结合，达到先聚光后匀光的目的( 如图 1 所示) ，由于透镜成本较低，可使透镜面积远大于光伏板面积获得较高聚光比。Leutz 等人[4]提出圆弧型菲涅尔透镜聚光器，在圆弧各处设置不同的齿斜率，使与法线方向夹角为 ± 23. 5°的阳光在无追踪器条件下可持续精准聚光。Sharma 等人[5]在此基础上提出圆柱型菲涅尔透镜( 如图 2 所示) ，该装置只需在太阳位置发生变化时相应地移动吸收面便可实现全天聚光，大大减少了传统跟踪器运行所带来的功耗，模拟结果表明，吸收体的年平均辐照强度可以提高 50% 以上。但菲涅尔透镜的缺点是在折射过程当中因产生色差引起光学损失，使光的综合利用效率下降。
1. 2 反射型聚光器
反射型聚光器由于在聚光过程中不会产生光学色差被认为具有更高的光学效率[6]，最常见的有抛物线式和碟式聚光器。碟式聚光器最大的优点就是可获得较大的聚光比，在 20 世纪 80 年代初首次被 Coventry 和 Andraka 提出后得到了发展[7]。澳大利亚国立大学于 1994 年和 2010 年对聚光面积分别为 400 和 500 m2 的碟式聚光器进行了实验测试，指出其最高聚光比可达 2 000[8]。Yan 等人[9]针对碟式聚光器存在的聚光均匀性不足问题，提出了如图 3 所示的分离式碟式聚光系统，该聚光器由半径和倾斜角度不同的分离圆环构成类碟式聚光器，模拟结果表明，腔内接受面的光通量非均匀性因子由 0. 55 ～ 0. 63 降到0. 10 ～ 0. 22。
Meng 等人[10]在抛物线聚光器上部增加了与入射光线平行、不能起到聚光作用的吸收面，如图 4 所示。吸收面用于吸收聚光时反射出聚光器的太阳能，并将在光伏电池中预热后的冷却水通向吸收面内置水管中再次加热，使得在聚光的同时获得更多可以利用的热量。Wang 等人[11]与文献[9]做法类似，将传统抛物线式聚光器改进为横截面由不同斜率连续小线段组成的类抛物面聚光器，使用常规的太阳追踪器便可使系统的综合光学效率达到 80% 。 Ustaoglu 等人[12]同样对于抛物面本身进行设计，提出了复合双曲线喇叭状聚光器，就单位面积输出的电功率与常规抛物面聚光器进行比较，功率提高了 42. 9% ，认为复合双曲线喇叭状聚光器可以有效替代传统抛物线型聚光器。图 4 抛物线式聚光器结构示意图 Fig. 4 Schematic diagram of parabolic structure 由于传统碟式和抛物线式聚光器存在面积较大、抛物曲面不易加工成型、系统的稳定性低和聚光均匀性难把控等问题，因此，提出将单一曲面分解为多个曲面的思路，从而简化加工工艺，提高系统的抗风性能。陈海飞[13]分别搭建了平面镜阵列式系统和九碟式多碟聚光系统，在平面镜阵列式系统中可添加或减少平面镜的数量，从而实现聚光比可调; 对两个系统聚光均匀性的比较结果表明平面镜阵列式系统更优。Huang 等人[14]设计了由 3 种不同焦距长度的共计 16 片小碟式聚光器组成的多层多焦点聚光系统，计算了焦平面的通量分布，并为该系统设计了最佳聚焦距离; 同时提到，由于单片碟式聚光器的制造以及安装存在误差，组装系统误差的重叠可能导致聚光系统光通量不均匀。
学者们针对聚光系统面积过大以及光通量不均匀问题，提出了多级聚光器的理念。多级聚光器采用分步聚光，在达到相同聚光比的同时大大减少了单级聚光器的面积。Wang 等人[15]设计了如图 5 所示的 一 种 由 2 个反射面构成的二级聚光系统。 Shanks 等人[16]设计了由图 6 所示的一种由 3 个反射面构成的二级聚光系统，该系统与 Wang 所提出的系统最大的区别是在光伏板前放置了光学匀质器，太阳光经过多级聚光器后不仅具有高聚光比，且有均匀的光通量。
然而在一级聚光器上部安装二级聚光器，不仅会使二级聚光器挡住一级聚光器的光通量，且会产生因多次反射而造成的光损耗。Lokeswaran[17] 在 Shank 等人的基础上，提出直接把底部一级聚光器聚集的太阳能导入上部匀质器的新型二级聚光系统，并将该聚光系统与传统一级聚光系统进行实验对比，在同等条件下其电性能比传统一级聚光系统高 33. 54% 。Chong[18]设计的二级聚光系统与文献[17]中光学匀质器不同，每个光伏单元均安装匀质器使面聚焦转化成点聚焦，现场测试了搭配该聚光系统的多结太阳能电池的平均效率为 35. 0% ～ 36. 1% 。
太阳能聚光是近年来热门研究领域，表 1 给出了不同类型聚光器的优缺点。可以看出，研究的核心主要仍放在提高聚光器的聚光比以及均匀光通量的理论性研究，而对于系统的可行性以及聚光器与不同类型太阳能电池适配性的分析较少。后续应加强系统运行的产能与耗能量对比研究，增加系统静态回收期、聚光器与光伏电池适配性分析等，使聚光系统得到进一步的推广应用。
2 光伏电池技术
2. 1 三代光伏电池技术
光伏电池历经了三代技术的更迭。一代光伏电池技术主要依赖于晶体硅( c - Si) 材料，其主要有单晶硅( M - Si) 和多晶硅( Pc - Si) 。一代技术已占据全球光伏市场份额的 90%[19]，光电转化效率也已显著提高至 25% 左右[20]，而硅材料转化率的经典理论极限是 29% ，尽管随着纳米技术的引入其转化效率有望提高至 30% 以上[21]，但目前难以进一步提高。
第二代光伏电池技术则是主要基于各种薄膜材料而衍生的电池技术，主要的薄膜类型有碲化镉( CdTe) 、铜铟镓硒( CIGS) 、非晶硅( a - Si) 、砷化镓( GaAs) 等。虽然 GaAs 薄膜电池的效率已经达到 30% 以上，但其造价高昂使得目前仅限应用于航空航天、无人驾驶汽车等高端领域。第二代光伏电池在质量上总的来说要轻于第一代光伏电池，与柔性衬底结合后还具有易折叠携带的特点。然而其光电转换效率却大多低于第一代。且薄膜光伏电池在制备过程中往往用到毒性材料，限制了其规模化的生产应用。
基于第一代和第二代光伏技术的优缺点，研究人员又继续提出了有机光伏电池( OPV) 、染料敏化太阳能电池( DSSC) 、钙钛矿型敏化光伏电池( PVK) 和叠层光伏电池( TSC) 等一系列新型电池。但无论是以晶硅材料为主的第一代光伏电池，还是以薄膜材料为主的第二、三代光伏电池，都是基于某一类半导体材料并在此基础上进行各种改进。这种做法虽然在电池的生产工艺上相对容易，却受制于材料中单一活性层较窄的光谱响应范围，进而限制了光电转化效率的进一步提升。其原因主要有两点[22 - 23]: ( 1) 当太阳能辐射至电池表面时，当某波段的辐射能低于半导体材料的禁带宽度时，该波段能量将无法被电池利用; ( 2) 当某波段的辐射能远大于半导体材料的禁带宽度时，自由电子虽然可以被激发但并不稳定，将迅速弛豫至导带顶附近，多余的能量以热能的形式耗散。
针对以上问题，TSC 采用了与其它电池不同的优化方案，使用能量梯级利用法将具有不同禁带宽度的半导体材料通过隧穿结进行上下叠层连接，从而使其不受单一材料禁带宽度的限制，提高了电池的太阳能利用效率[24]。不同类型光伏电池的优缺点列于表 2。
2. 2 叠层光伏电池
TSC 将具有较大禁带宽度的半导体材料放置在上层，较低禁带宽度的半导体材料放置在下层。由于钙钛 矿( PVK) 材料具有禁带宽度范围内可调 ( 1. 18 ～ 2. 3 eV) 、制造成本相对较低等优点[25]，被广泛认为是 TSC 中顶部电池的优选材料。Werner 等人[26]将 PVK 作为顶部电池堆叠在 Si 异质结电池上，如图 7( a) 所示，得出该 TSC 在 4T 结构下稳态的光电效率可达 25. 2% 。Lehr 等人[27]从数值模型角度出发，比较了图 7( b) 所示的 3 种结构电池的优缺点，模拟结果表明，在平均反照率为 35% 的条件下 2T 型结构的 PVK /c - Si 比单结 c - Si 的能量产出相对提高了约 24% ～ 38% 。Iqbal 等人[28]用光电模拟的方法同样对 PVK /c - Si 和 c - Si 进行了计算分析，如图 7( c) 所示。结果表明，PVK 型 TSC 的优化设计高度依赖于 PVK 的厚度和反照率，且在平均地球反照率为 30% 的情况下，PVK / Si 叠层电池的光电转 化 效 率 约 为 32. 5% 。Cherif 等 人[29] 则是将 PVK /c - Si 叠层电池结合聚光系统共同分析，通过模拟得出在各种条件下都能获得较高的聚光效率，其中在一倍太阳常数下，光电转化效率可达到 30. 52% ，而聚光后在 70 倍太阳常数下峰值效率可达到 34. 62% 。
由于 PVK 材料易于制造且禁带宽度可调，将其作为顶部电池后，学者们又尝试着同时将 PVK 材料使用 在 底 电 池 中。Hossain 等 人[30] 将宽禁 带 ( 约 1. 72 eV) 的碘化铅( Pb - I - BR) 和窄禁带( 约 1. 16 eV) 的锡碘铅( Sn - Pb - I) 分别作为叠层电池的上下两部分，并通过光学模拟法对其进行研究，得到其能量转换效率约为 31% 。Wang 等人[31]在综述中指出，目前在双 PVK 材料的 TSC 中，顶层宽禁带 PVK 材料的研究已经较为成功，这也促进了 PVK -无机材料型 TSC 的发展，但高效底层窄禁带 PVK 材料的缺乏制约了高效双 PVK 型 TSC 的发展。Lin 等人[32]针对此问题，将底层窄禁带 PVK 材料 Pb - Sn 中的混合物进行优化，使得其中 Sn 的空穴数减少，在将窄带隙 PVK 中的电荷载流子扩散长度增加到 3 μm后测量得出该电池的光电转化效率达到 24. 8% 。CIGS 带隙约为1. 1 eV，在 TSC 中属于较为理想的底部电池材料。Josšt 等人[33]针对 PVK-CIGS 型 TSC 中 CIGS 材料的粗糙形态致使顶部电池分流问题，通过原子层沉积法在 CIGS 上表面沉积 10 nm 厚的 NiOx，使得 PVK 直接沉积在粗糙 CIGS 的顶部，从而在忽略 CIGS 粗糙形态的同时减轻顶部电池分流，实验结果表明，该电池能稳定获得21. 6% 的光电转化效率。Shen 等人[34] 从材料改性角度出发，通过在四元阳离子( 铯/铷/甲酰胺/甲铵) 中引入掺铟氧化锌( IZO) 透明导电氧化物作为前接触层，研制出响应快、滞后低的高效 n - i - p 半透明 PVK 太阳电池，并将该电池与单片效率为 16. 5% 的 CIGS 电 池 机 械 重 叠，模 拟 得 出 TSC 的 效 率 为 23. 9% 。
Jacobsson 等人[35]则从 TSC 的结构入手，针对 2T 型 PVK-CIGS 叠层电池中各材料的堆叠顺序对其效率的影响进行研究。将效率约为 14% 的 CIGS 和效率约为 12% 的 PVK 结合，其优化后的结构得到了效率约为 16% 的 2T 型 TSC，并指出如果能改善 PVK-CIGS 二者的光学匹配，2T 型 TSC 将更有竞争力。虽然 PVK-CIGS 型 TSC 在上述报道中效率仍然可观，但该类型 TSC 的制备仍然非常具有挑战性，所以到目前为止相关报道不多。
当然，TSC 除了上述 2 层叠层电池外，3 层叠层太阳能电池近年来随着工艺的逐渐进步也得到大量的发展。理论上，TSC 中子电池的层数越多光电转化效率就越高，但工艺上 TSC 中上层电池制备过程中将不可避免地损害下层电池，因此子电池节数越多，对中间层制备工艺的要求越高，制备过程越困难，同时也会影响到电池串联后电流、晶格的匹配。因此，三结或更多结 TSC 近几年的报道数量远少于双结 TSC。但在同等效率条件下，TSC 能减少光伏电池的实际面积，相当于同时减少了聚光器和冷却器的体积。——论文作者：尹 勇，杨洪海，苏亚欣，徐 悦
论文来源：《热能动力工程》(双月刊)创刊于1986年，由中国船舶重工集团公司第七0三研究所主办。报导热能动力工程领域的现状、发展趋势的专题综述论文;报导燃机、汽机、锅炉、传动元部件的试验、研究、设计方面的论文;报导具有实用性的技术交流论文。
