太阳能光伏光热高效综合利用技术

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22052

发电技术 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (3): 373-391.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22052

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太阳能光伏光热高效综合利用技术

李英峰¹, 张涛², 张衡¹, 崔鹏¹, 付在国², 高中亮¹, 耿奇¹, 柳志晗¹, 朱群志², 李和兴², 李美成¹

^1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市昌平区 102206
^2.上海电力大学能源与机械工程学院, 上海市杨浦区 200090

收稿日期:2022-03-07 出版日期:2022-06-30 发布日期:2022-07-06
作者简介:李英峰(1982)，男，博士，副教授，主要从事太阳能电池器件设计与制备，太阳能电池光管理、电管理和热管理，太阳能电池增效，太阳能电池界面工程的研究，liyingfeng@ncepu.edu.cn；
张涛(1986)，男，博士，副教授，主要研究方向为太阳能光电光热综合利用、传热传质、余热利用及建筑节能，taozhang@shiep.edu.cn；
张衡(1991)，男，博士，副教授，主要从事太阳能光热以及太阳能光伏光热综合利用方面的研究，zhangchongheng@ncepu.edu.cn；
崔鹏(1991)，男，博士，讲师，主要从事新型太阳电池设计与制备、高效钙钛矿同质结太阳电池的研究，cuipeng@ncepu.edu.cn;
付在国(1983)，男，博士，副教授，主要从事工程热物理领域复杂流体传热传质等方面的基础理论及应用研究，fuzaiguo@shiep.edu.cn；
高中亮(1993)，男，博士研究生，主要从事新能源材料与器件，新型硅基太阳电池发电技术的研究，zhlgao@ncepu.edu.cn;
耿奇(1998)，男，硕士研究生，主要从事新能源材料与器件的研究， Gengqi@ncepu.edu.cn；
柳志晗(1998)，男，硕士研究生，主要研究方向为光伏组件多物理场耦合模拟计算，Lzh202298@163.com;
朱群志(1972)，男，博士，教授，研究方向为太阳能热利用、分布式能源系统、工业节能技术等，zhuqunzhi@shiep.edu.cn；
李和兴(1963)，男，博士，教授，研究方向为光催化环境污染治理和清洁能源生产，hexing-li@shnu.edu.cn；
李美成(1973)，男，博士，教授，主要从事太阳能与储能技术方面的研究，本文通信作者，mcli@ncepu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(51972110);北京市自然科学基金(2222076);华能集团总部科技项目(HNKJ20-H88)

Efficient and Comprehensive Photovoltaic/Photothermal Utilization Technologies for Solar Energy

Yingfeng LI¹, Tao ZHANG², Heng ZHANG¹, Peng CUI¹, Zaiguo FU², Zhongliang GAO¹, Qi GENG¹, Zhihan LIU¹, Qunzhi ZHU², Hexing LI², Meicheng LI¹

^1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China
^2.College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China

Received:2022-03-07 Published:2022-06-30 Online:2022-07-06
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(51972110);Beijing Natural Science Foundation(2222076);Huaneng Group Headquarters Science and Technology Project(HNKJ20-H88)

摘要/Abstract

摘要：

太阳能的高效综合利用对于能源可持续发展和碳达峰、碳中和战略目标的实现具有重要意义。首先，针对光伏和光热2种最主要的太阳能利用方式，系统介绍光伏发电技术的主要类型、研究现状和发展趋势，以及光热利用中热发电、建筑采暖与制冷、海水淡化和工业供热的现状和发展趋势；然后，探讨了光伏光热一体化技术的基本原理、主要类型和研究进展，特别讨论了与相变传热方式相结合的集成技术；最后，对灵活多变的多种“光伏+”太阳能利用技术进行了简单介绍。光伏、光热、光伏光热一体化和“光伏+”技术仍处于高速发展时期，存在大量的技术增长点和巨大的应用潜力，对解决能源和环境危机，保持人类社会的可持续发展意义重大。

关键词: 太阳能综合利用, 光伏, 光热, 光伏光热一体化, 光伏+

Abstract:

The efficient and comprehensive utilization of solar energy is of great significance for the sustainable development of energy and the realization of the strategic objectives of peak carbon dioxide emissions and carbon neutralization. Firstly, focus on the two main solar energy utilization modes, photovoltaic and photothermal, we systematically introduced the main types, research status and development trend of photovoltaic technologies, as well as the current situation and development trend of thermal power generation, building heating and refrigeration, seawater desalination and industrial heating in photothermal utilization. Then, we discussed the basic principles, main types and research progress of photovoltaic/thermal integration technology, especially the integration technology combined with the phase change heat transfer mode, was systematically introduced. Finally, several flexible "photovoltaic +" solar energy utilization technologies were introduced briefly. Photovoltaic, photothermal, photovoltaic/thermal integration and "photovoltaic +" technologies are still in a period of rapid development, have huge application potential and breed a large number of new technological growth points. These technologies are of great significance to solve the energy and environmental crisis and maintain the sustainable development of human society.

Key words: comprehensive utilization of solar energy, photovoltaic, photothermal, photovoltaic/thermal, photovoltaic +

中图分类号:

TK 51

李英峰, 张涛, 张衡, 崔鹏, 付在国, 高中亮, 耿奇, 柳志晗, 朱群志, 李和兴, 李美成. 太阳能光伏光热高效综合利用技术[J]. 发电技术, 2022, 43(3): 373-391.

Yingfeng LI, Tao ZHANG, Heng ZHANG, Peng CUI, Zaiguo FU, Zhongliang GAO, Qi GENG, Zhihan LIU, Qunzhi ZHU, Hexing LI, Meicheng LI. Efficient and Comprehensive Photovoltaic/Photothermal Utilization Technologies for Solar Energy[J]. Power Generation Technology, 2022, 43(3): 373-391.

图/表 14

图1 钙钛矿同质结结构的截面透射电镜表征

Fig. 1 Transmission electron microscope characterization of the cross-sections of perovskite homojunction

图2 三叶形硅纳米线结构示意图及光学性能

Fig. 2 Structural diagram and optical properties of trilobal silicon nanowires

图3 PEDOT:PSS/Si杂化太阳电池中硅表面与红荧烯的相互作用机制

Fig. 3 Interaction mechanism between silicon surface and rubrene in PEDOT:PSS/Si solar cells

图4 光热发电技术类型

Fig. 4 Types of solar thermal power generation technology

表1 4种光热发电技术比较

Tab. 1 Comparison of four photothermal power generation technologies

参数	槽式	塔式	碟式	线性菲涅尔式
规模/MW	10~350	10~150	0.01~1	10~320
成熟度	商业化	商业化	示范	示范
聚光方式	线聚焦	点聚焦	点聚焦	线聚焦
跟踪方式	单轴追踪	双轴追踪	双轴追踪	单轴追踪
聚光比	10~100	300~1 500	1 000~3 000	35~170
传热介质	水/蒸汽、熔盐、导热油、空气	水/蒸汽、熔盐	氢、熔盐	水/蒸汽、熔盐
运行温度/℃	150~550	300~1 200	300~1 500	150~400
峰值效率/%	21	23	29.4	20
热发电效率/%	10~16	10~22	16~29	8~12
单位造价/(美元/W)	2.7~4.0	2.5~4.4	1.3~12.6	5.4
发电成本/[美元/(kW∙h)]	0.13~0.26	0.08~0.16	0.25	0.28

图5 Trombe墙原理图

Fig. 5 Schematic diagram of Trombe wall

图6 储热型太阳能供暖系统原理图1—TP700数据采集器；2—K型点状测温传感器；3—三通阀-1；4—球阀-1；5—风速仪；6—风向标；7—环境温度传感器(室外)；8—CR3000数据采集器；9—球阀-2；10—环境温度传感器(室内)；11—毛细管网；12—倾斜面太阳总辐射表；13—平板热管型太阳能集热器；14—球阀-3；15—三通阀-2；16—球阀-4；17—球阀-5；18—缓冲水箱；19—球阀-6；20—玻璃浮子流量计；21—球阀-7；22—循环泵；23—Y型过滤器；24—球阀-8；25—相变储热单元。

Fig. 6 Schematic diagram of solar heating system with heat storage

图7 小型太阳能吸收式制冷系统结构图

Fig. 7 Schematic diagram of small solar absorption refrigeration system

图8 太阳能增湿除湿海水淡化系统示意图

Fig. 8 Schematic diagram of humidified-dehumidified solar water desalination system

图9 典型PV/T集热器结构图

Fig. 9 Structure diagram of typical PV/T collector

图10 重力热管式PV/T集热器(集管式冷却)

Fig. 10 Gravity heat pipe type PV/T collector (header type cooling)

图11 重力热管式PV/T集热器(套管式冷却)

Fig. 11 Gravity heat pipe type PV/T collector (drivepipe type cooling)

图12 环路热管式及水冷型PV/T对比测试平台

Fig. 12 Comparison setup of loop thermosyphon type and water cooled PV/T collectors

图13 基于PV/T的热泵供暖制冷系统1—PV/T集热器；2—水箱；3—水泵；4—控制器；5—压缩机；6—冷凝器；7—毛细管；8—蒸发器；9—蓄冰槽；10—阀门；11—泵；12—风机盘管；13—室内。

Fig. 13 Schematic diagram of the PV/T refrigeration/heating system

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太阳能光伏光热高效综合利用技术

Efficient and Comprehensive Photovoltaic/Photothermal Utilization Technologies for Solar Energy

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