聚光光伏热系统性能的改进,提高热效率和电效率

   理工小二        

研究背景:


聚光光伏热(CPVT)系统是聚光光伏(CPV)和光伏热(PVT)系统的结合。CPV的目标是用便宜的光学聚光器将光集中到较少的光伏接收器上,以取代由于太阳能密度低而大量昂贵的平板光伏电池。然而,增加太阳能密度会提高光伏电池的温度,导致热量耗散增加。高的光伏电池温度影响光伏的设计运行条件,并造成太阳辐射吸收损失。


对此,以Mussad Alzahrani为首的团队展开了研究,并以“Advances and limitations of increasing solar irradiance for concentrating photovoltaics thermal system”为题,于北京时间2020年11月3日发表于Renewable and Sustainable Energy Reviews,旨在对当前CPVT的优点、缺点和潜力进行分析


聚光光伏热系统性能的改进,提高热效率和电效率


CPV系统将太阳光集中在光伏电池上发电。CPVT系统将太阳光线集中到一种液体中,直接或间接地传递热量,并产生电能。因此,需要被动或主动冷却来保持光伏电池的温度,以确保最高的效率。然而,冷却光伏电池温度会引起寄生负荷,且寄生负荷随太阳辐射浓度的增加而增加。PVT的目的是提取产生的热量,然后将其应用于最终用途,如生活热水或直接加热。然而,PVT需要使用大量的PV接收器来产生高质量的热能,这导致投资成本高。此外,热能的低温限制了最终应用的可能数量。


研究方法:


聚光光伏热(CPVT)技术通过使用光学聚光器增加电池上的太阳能密度来利用太阳能。CPVT系统是正在进行的研究和改进的重点,以实现能源开发和利用的最高潜力。在CPVT设计中,提高用于高能量产生的集中度会带来许多进步和限制。该研究从单结/多结半导体材料、一次和二次光集中器材料、热接收器设计等方面重点讨论了温度随浓度比的增加对CPVT元件的影响。为了实现这一目标,首先解释了单结和多结太阳能电池的电特性理论,以理解它们对温度和浓度比的依赖。对当前CPVT研究的优点、缺点和潜力进行了综述。


在本综述中,确定了较高的浓度比会提高温度,在此温度下,CPVT系统的性能、运行和可靠性都会受到影响。此外,该研究还指出,CPVT元件的温度升高受其光学结构、材料类型和反射率的显著影响。热接收器由三部分组成:太阳能电池(热源),热分布器(基片)及其不同类型,以及冷却机制。此外,该研究还讨论了在强化照明下,特别是在辅助光学中产生的热机械应力,其中光学材料和光学公差需要仔细研究。该研究简要地考虑了高集中率水平的经济影响,解决了通过提高系统效率来降低系统成本的问题。在整个检讨过程中,研究者会就系统性能的可能改善提出建议。


聚光光伏热系统性能的改进,提高热效率和电效率

图1所示。CPVT系统的工作流程,总结了CPVT系统的局限性。


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图2所示。(a)基本菲涅尔透镜和(b)基本卡塞格伦CPVT系统配置,

用于主/次光学、单/多结太阳能电池和热接收器三个组件。


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图3所示。(a)太阳辐照度和(b)电池温度对单结光伏电池I-V曲线的影响。


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图4所示。不同的半导体材料(薄膜和基于晶圆的)带隙能量,

最大效率,都在1太阳浓度比下。

理论的最大电池效率是测量的地面应用下的am1.5。


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图5所示。太阳能电池使用的理想带隙能量在无浓度下的限制效率。

太阳能电池的效率是基于理想黑体光谱(黑线)和AM 1.5D光谱(红线)计算的各种半导体材料配置。


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图6所示。在CPVT系统中选择太阳能电池材料的因素考虑。


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图7所示。概述了提高浓度比的光学概念的进展和局限性。


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图8所示。浓度比范围和工作流体温度范围的CPVT系统。


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图9所示。在不同的研究中,出水温度/电池温度对系统的电效率和热效率的影响。


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图10所示。


整个单元区域的均匀照明(30个太阳)和中间三分之一单元的不均匀照明(90个太阳)的I-V曲线。


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图11所示。电池温度和电效率为报告的CPVT研究和分类根据其浓度比水平。


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图12所示。热和电效率为报告的CPVT研究和分类基于他们的浓度比率水平。


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图13所示。整个系统单位安装成本。


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图14所示。最佳MJPV聚光器太阳能电池的性能与浓度比的比较。


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图15所示。已建成项目的集中光伏(CPV)、

集中太阳能(CSP)和太阳能光伏电站的标准化电力成本($/kWh)。


研究分析:


以达到最高浓度比为目标的CPVT研究进展正在进行中,以实现高热效率和电效率。要做到这一点,需要一系列高效率的太阳能电池结构和新的光学配置。研究者确定了提高CPVT性能和设计需要更一致地应用的关键方法和技术为:


•测试CPVT组件暴露在不同的户外气候和最坏的运行条件下加速老化的稳定性。


•热循环评估热负荷昼夜变化和季节变化情况下的所有CPVT部件的热变形。


这些措施将有助于解决CPVT和PV电池在高和超高浓度比下具有较高耐受性的挑战。


在这篇综述中,对温度对CPVT太阳能电池和光学器件的影响进行了深入的分析。与单结太阳能电池相比,多结太阳能电池在80℃时的低电阻使其可以接受更高的浓度比。特别是金属间和单片多结结构是有效的,而且很容易获得,但有局限性。每个亚单元的金属间连接以以下价格获得最大效率:


•每个亚细胞使用不同的基板


•每个子单元均涂有防反射涂层


•额外的热损失


•复杂的机械设计和电气连接


单片多结的兼容性取决于以下因素:


•半导体材料需要在结构上兼容


•光电互连需要兼容材料


•当前匹配,因为子单元设计在一个堆栈中


一般的热管理技术包括光谱分解,其中只有在与单元相容的范围内的光子通过系统传输。研究者已经知道,热接收元件需要有很高的导热系数才能将热量传导到连续元件。散热器的导热系数位于光伏电池和冷却机构之间,也需要尽可能的高,以保证以后的高热利用率。采用焦点和线的后照明技术已证明其能够在安全操作条件下对太阳能电池温度进行热管理,其浓度比可达10000(W/m2)。


光学聚光器是将太阳辐照度放大并集中到小型电池上的关键元件。提高集中度的代价是光学面积大或接收面积小,导致热能和电能分别高提取和高产生。在低浓度比水平,CPVT系统接收器吸收直接和漫射太阳辐照度。在较高的浓度比范围内,光学受到较高的温度,其中工作温度和热膨胀系数的光学,特别是二次均质器,需要彻底研究,以避免热机械应力。很明显,提高浓度比超过100(W/m2)可以提高效率,降低CPVT系统的单位面积成本。尽管如此,仍需要更多的研究和发展。


原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032120308029


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