光伏光热混合系统概述 毕业设计.doc

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1、 毕业设计（论文） （ 2012 届） 题 目 光伏光热混合系统概述 学 号 090301032 姓 名 曾维龙 所 属 系 新能源科学与工程学院 专 业 材料工程与技术 班 级 材料工程 指导教师 阮仔龙 新余学院教务处目录摘要1Abstract1第1章 光伏光热混合系统概述21. 1 光伏光热混合系统21.1.1 光伏系统的基本组成部分31.1.2 光热系统的基本组成部分31.2 光伏系统中的太阳能电池制造与封装41.2.1 太阳能电池原理51.2.2 太阳能电池制备工艺流程51.3 光热系统的制造与安装6 1.3.1 太阳能集热器工作原理与其系统6第2章 太阳电池和太阳能热水器的合理搭配

2、72.1 光伏光热系统合理设计72.2 实际应用中提高系统热电转化率12结论14参考文献（References）14致谢14光伏光热混合系统概述这个和目录要独立成页，分开来，排版问题你没重视啊摘要太阳能光伏光热混合系统近年来成为研究开发的热点，也出现了大量的成功示范工程。本文对太阳能光伏光热混合系统的实现方法并在提高太阳能应用率进行探索与研究，提出一种新型的太阳能高效率应用方式光伏光热混合系统。而光伏光热混合系统则是为提高太阳能的利用率。在单位面积内同时利用光的能量和热能，而又降低了太阳能电池的温度，提高了光转换电的效率。因此本文重要概述光伏光热混合系统怎样构成、原理及组装应用。关键词：光伏光

3、热混合系统；利用率；光生伏打效应：集热器Abstract Solar PV solar thermal hybrid system has become a hot topic of research and development in recent years, there have been a large number of successful demonstration projects. Implementation of solar photovoltaic, solar thermal hybrid system and in improving the rate of so

4、lar energy applications in the exploration and research, a new type of solar high-efficiency applications - Photovoltaic solar thermal hybrid system. Photovoltaic-solar thermal hybrid system is to improve the utilization of solar energy. Use of light energy and heat per unit area at the same time, a

5、nd reduces the temperature of the solar cell to improve the efficiency of light conversion electrical. This article important overview of photovoltaic solar thermal hybrid system of what constitutes the principle and assembly applications. Keywords: Photovoltaic solar thermal hybrid system; utilizat

6、ion; photovoltaic effect: collector第1章 光伏光热混合系统概述1.1光伏光热混合系统光伏光热混合混合系统是利用光伏发电和光热能的混合共享系统。这一系统由光热混合板、电力装置、供热水及空调装置和电力负载组成。光热混合板正面是太阳电池组件，背面是太阳能集热器，能有效地利用太阳电池发电后剩余能量。理论研究表明，单晶硅太阳电池转换效率在0时超过30%。在光强一定条件下，当硅太阳电池温度上升时，其输出功率下降。而在实际应用中，太阳电池的光电转换效率为12%-18%左右，可以看出照射到太阳电池表面60%以上的能量未能转换为有用能量，其相当一部分能量转换为热能，而产生的热

7、能又使得太阳电池温度升高，根据硅太阳电池的性质，电池温度升高又使得太阳电池光电转换效率的下降。而光、热混合系统一方面有效地利用了热能为供热水或空调等装置服务，同时也降低了太阳电池的温度，使得太阳电池转换效率得以提高，而使太阳能光伏系统发电量提高，大大地提高了系统效率。光伏光热混合系统优点是较少受地域限制，因为太阳光白天每时每刻照耀大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪音、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏光热混合系统优缺点：规能源发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在： 无枯竭危险，太阳能每天都在辐射着地球（至少50亿年）； 安全可靠，无噪声，无污染排放外，

8、绝对干净（无公害）； 不受地域的限制，可利用建筑屋面的优势； 无需消耗燃料和架设输送电线即可就地发电供电； 能源质量高； 光热的利用，使单位面积太阳能利用率提高； 建设周期短，获取能源花费的时间短； 缺点： 太阳辐射的能量分布密度小，即要占用巨大面积； 获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关； 发电成本高。1.1.1 光伏系统的基本组成部分光伏系统的基本组成部分：是由太阳电池组件、电缆、蓄电池、直交变换装置和电力负载（商用系统）等部分组成。如果光伏系统中存在交流负载，还需要加入直流交流逆变装置。其中太阳电池组件是直接将太阳能转换为电能的光电转换器件；电缆用于各电力电子器件以及光伏方阵之间的

9、电气连接；蓄电池是在电力富余时将太阳能转换后的电能储存装置；直交变换装置将系统中太阳电池组件所发出的直流电转变为交流电的电力电子控制装置。如图11所示：图11 光伏发电系统组成图1.1.2 光热系统的基本组成部分光热系统的基本组成部分：是由集热器、贮热水槽、蓄热槽、热泵，暖气和冷气负荷组成。集热器是直接将太阳能的热能收集起来的器件，将太阳能转化为热能；贮热水槽将集热器出来的热水收集起来的容器；热泵就是将冷水和热水循环，使电池板工作环境温度的稳定。如图12所示：图12 光热系统组成图1.2 光伏系统中的太阳能电池制造与封装 1.2.1 太阳能电池原理 太阳能电池原理：在太阳能电池中有P区、N区和

10、P-N结。其中P区的半导体掺入硼。镓、铝等3价元素（又称受主杂质），它们的价电子数目少于价轨道，是缺电子原子，在形成的共价键内出现空穴，位于共价键内的电子只需外界给很少能量，就会摆脱束缚过来填充，形成新的空穴。同时该3价元素的原子成为带负电的阴离子。该材料以空穴为多数载流子，称为P型半导体。P型半导体中也有自由电子，但数量很少，称为少数载流子。而在掺入磷、砷、锑等5价元素（又称施主杂质），它们的价电子多于价轨道，是多电子原子，在形成共价键之外，有多余的电子，位于共价键之外的电子受原子轨道，是多电子原子，在形成共价键之外，有多余的电子，位于共价键之外的电子受原子核的束缚力要比组成共价键的电子小得

11、多，只要得到很少能量，就能成为自由电子。同时，该5价元素的原子成为带正电阳离子。该材料以电子为多数载流子，称之为N型半导体。N型半导体也有空穴，但数量少，称为少数载流子。当P型半导体和N型半导体紧密接触在一起，在交界面上就会有自由电子和空穴的浓度差，空穴向N型半导体扩散，自由电子向P型半导体扩散，在交界面附近，空穴和自由电子复合，于是在交界面附近，P型半导体带负电，N型半导体带正电，形成一个称为势垒电场的内建电场，其方向从带正电的N区指向带负电荷的P区，电场的形成阻碍了自由电子和空穴的扩散，从而形成一个稳定的电场，这就是半导体的P-N结。而当芯片受光后，P-N结中N型半导体的空穴往P型区移动，

12、而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在P-N结中形成电势差，这就形成了电源。1.2.2太阳能电池制备工艺流程（1）光伏电池产业流程：硅料提纯-铸锭切片-电池制造-组件封装-光伏应用。（2）而其中应用的设备：熔炼炉、铸锭炉、切片机、清洗制绒设备、高温扩散炉、等离子刻蚀机、二次清洗机、PECVD镀膜机、丝印烘干炉、高温烧结炉、测试分选设备、层压机、逆变器等。（3）太阳能电池的种类：晶体硅太阳电池、非晶硅太阳电池、半导体化合物太阳电池和纳米晶太阳电池。而晶体硅太阳电池生产技术最为成熟。下面主要介绍晶体硅太阳电池。A单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池是开发最早、发展最快的一

13、类太阳能电池，目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最大已接近20%。单晶硅太阳能电池的生产过程大致可分为五个步骤：提纯过程；拉棒过程； 切片过程；制电池过程；封装过程。单晶硅材料的制备方法主要有直拉法和区熔法。 直拉法 将晶体硅在石英坩埚中加热熔化，用籽晶与硅液面进行接触，然后向上提升生长出柱状晶棒。晶棒直径目前达到100-150mm。硅片采用晶面，便于表面的绒面处理。直拉法的发展方向是增大硅棒直径，已制备出直径为300mm的单晶硅棒；质量控制是减少氧、碳和杂质的含量，减少晶体中的缺陷；提高生长速度和降低成本。区熔法 区熔法生长的单晶硅质量佳，用于制备高效太阳能电池和聚光太阳能电池

14、，但生产成本高。B多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池的主要优势是降低成本。由于单晶硅太阳能电池需要高纯硅材料，其村料成本占电池总成本的一半以上。相比之下，多晶硅电池材料制备方法简单、耗能少，可连续化生产。但多晶硅太阳能电池的光电转化效率较低，目前仅为18%左右。多晶硅的制备技术 改良西门子法是以HCl和冶金级工业硅为原料，在高温下合成为SiHCl3,然后对SiHCl3 进行多级精馏，使其纯度达标，最后在还原炉中1050的芯硅上用超高纯的氢气对SiHCl3进行还原而生长成高纯多晶硅棒。1.3光热系统的制造与安装1.3.1 太阳能集热器工作原理与其系统 吸热原理：太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将

15、水从低温度加热到高温度。平板式热水器，一般为分体式热水器，介质在集热板内因热虹吸自然循环，将太阳辐射在集热板的热量及时传送到水箱内，水箱内通过热交换（夹套或盘管）将热量传送给冷水。介质也可通过泵循环实现热量传递。把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。 集热器：将太阳辐射能转换为热能的装置。集热器的功能是有效地吸收太阳能而又不向外扩散。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。集热器有多种主要为细管吸收器在光伏光热混合系统可以比较合理

16、搭配。主要由铝扁盒组成。 保温箱：储存热水的容器。通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存，防止热量损失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使用的水容量，不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器，其容量指可发生热交换的介质容量。太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。水箱内胆是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果，在寒冷季节尤其重要。目前较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。保温水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁。支架：支撑集热器与保温水箱的架子

17、。要求结构牢固，稳定性高，抗风雪，耐老化，不生锈。材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。连接管道：平板热水器将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的管道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。太阳能热水器至用户端也使用连接管道。热水管道必须做保温处理。控制部件：一般太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。 第2章 太阳能电池和太阳能热水器合理搭配2.1光伏系统设计2.1.1 太阳电池和太阳能热水器

18、的合理装配太阳能光伏系统：太阳能电池组件主要以半导体材料为基础制作，基本结构包括框体及设置于框体内的组件结构。其中，组件结构包括透光的前表面玻璃基片、透明密封件（如EVA胶）、电池片及背封薄膜（后表面保护部件，如PVF聚氟乙烯、TPT/TPE）等。工作原理是太阳光透过基片照射在光电产生器件上，光电产生器件通过光电效应直接将光能转换为电能，经与电池组件配套使用的光伏接线盒，将电能输出后使用。太阳能电池在将光能转换成电能的过程中，并不是将全部的光能的都转换成电能。理论研究表明，单极单晶硅材料的太阳能电池在0时的转换效率的理论物理极限为30%。在光强一定的条件下，当硅电池自身温度升高时输出功率将下降

19、。在实际应用中，标准条件下，晶体硅电池平均效率在15%上下。也就是说，太阳能电池只能将15%的光能转换成可用电能，其余的85%都被转化为热能。在转换过程中，随着热能的增加，电池温度不断升高，除了光电转换效率大大降低外，太阳能电池的使用寿命也将缩短。为使太阳能电池组件能长久地正常工作，现有技术中，在框体外加设散热装置（类似于水冷、气冷等散热系统，通过循环水或循环气吸热，达到散热目的）。但热能亦是太阳能电池组件吸收太阳辐射能源的一部分，若能将该部分能源取出并收集，加以利用，而非将其视为需消散的有害热量，便能达到充分利用能源的目的，且拓宽了太阳能电池组件的使用功能。太阳能电池组件取热方法：为尽可能使

20、电池效率保持在较高水平，充分利用吸收的太阳辐射能源，同时避免热量对组件光电转换效率的影响，延长电池组件的使用寿命，可以通过在太阳能电池组件上设置导热层，将光电转换过程中产生的热能吸收传导，并由其连接的导热组件导出组件结构，由外界取热管路收集，提供给后续热能设备使用。根据其布置的位置在太阳能组件密封件内或密封件外，导热层选择绝缘材料或是高导热材料制成。导热组件可以是具有高导热能力的金属类组件，或是导热能力高于金属类组件的热管等。通过在组件内加设导热层能实现将组件内的热能有效快速取出，为组件提供了良好的作业温度，确保组件光电转换的能力不受影响。另外，整个取热结构均在密封框体内，结构紧凑，对原电池组

21、件外形无影响，安装方便。导热层直接设置于组件结构内虽然优势突出，但其制造工艺较为复杂，成品合格率低，目前还未能实现商业化生产。因此本文提出另一种能容易实现的太阳能电池组件取热方法，将太阳能光伏发电与太阳能热水器结合起来，把光伏电池组件层压在热水器的扁盒式铝合金集热板上，以实现太阳能光伏光热一体化。为验证该系统在具有较高的整体效率的同时还可以得到温度较高的热水。本文通过设计制作一台建立在家用扁盒式铝合金平板型太阳能热水器基础之上的自然循环式 PV/T(光伏光热一体化)实验系统。太阳能光伏光热系统原理及设计：在太阳电池背面敷设流体信道是这种PV/T系统的核心。为使实验系统具有家庭应用性，实验选用已

22、商品化的太阳能电池与家用平板型太阳能热水器组成一套完整的光伏光热一体化系统。 系统中，电池为多晶硅电池，该电池组件在太阳辐射标准状况下的转换效率约为14%，热水器的集热板为一种目前市场上较为少见的新型扁盒式铝合金集热板，该集热板是用多条厚1cm、有效宽度8.5cm、材质厚度1mm的扁盒式铝合金型条并列拼装而成，上下联管材质相同，集热板结构可见图1。相比管板式集热板，扁盒式集热板肋片效率可认为等于1，传热效果良好。相同的进水温度，扁盒式集热板上下温差比管板式集热板小，有利于提高光电池的效率和降低热损，从而提高系统的综合效率。据太阳能光伏光热实验证明，把太阳电池用导热性能良好的密封胶分别贴附在各扁

23、盒式铝合金型条上半部表面上，其间用不透明PPT绝缘，表面覆盖以透明的乙烯醋酸乙烯脂(EVA)材料，将各层连同铝合金型条用真空层压机抽真空紧密压制，以保证密封良好，各层接触紧密。太阳电池组件贴附完成后将各型条并列连结，拼装成一块完整的复合集电热板。层压成型后扁盒式铝合金集热板表面以上的太阳能电池组件厚度2mm3mm，整个集热板表面平整。集电热板上盖4mm钢化玻璃，最后玻璃盖板、集电热板和绝缘背板一起用铝合金边框密封。光伏系统中，硅电池标况下的能量转换效率14%，数组转换效率约11.6%。其余部分包括蓄电池和逆变器等，可将随太阳辐射不断变化的直流电贮存起来或逆变器转变为220V标准交流电供家用电器

24、直接使用。复合热水器为自然循环式，整个光伏热水一体化系统结构及数据采集系统如图3所示。按照家用太阳能热水器性能测试国家标准的要求，进行测试，测量参数包括：太阳辐照量R，水箱温度Tw, 环境温度Ts，工作电压U，工作电流I。每5分钟采集一次数据，处理后的实验结果见表1。实验研究结果表明，系统整体效率在50%左右，比普通平板型热水器热效率有显著提高，更高于单一光伏系统效率。同时，经一天日照后热水终温多在50以上，天气晴朗或多云时可达60。实验中，系统电效率低于标准情况下的电池数组效率11.6%，四个原因导致上述结果：玻璃盖板遮盖、电池组件温度较高，最佳工作点偏离以及太阳辐照度低于1000W/m2。

25、因此，光伏电池效率将如实验结果所示在9.5%波动。计算可知，当电池组件温度较高时，此温度对电池效率的影响比其他可变因素更为显著。因此，电效率在热水终温较高时较小；而在日平均太阳辐射度较小，热水终温较低时各因素作用效果相当，因此系统电效率并不完全按照热水终温的高低顺序升降。但是总体来看，电效率仍近似随热水终温增设而减小。 对于整体PV/T系统而言，在技术上低进口水温度有利于提高电效率和热效率。如果对于实际应用而言，则用户无法自行调节进口水温，因此在应用上关于进口水温的讨论没有意义。另外，由于热效率电效率和高的热水终温之间都是矛盾无法兼顾，选择合适的V/A值对于在效率和热水终温之间取得平衡具有重要

26、意义。太阳能光伏光热一体化系统的实际应用：综合以上分析可以看出，该PV/T实验系统具有较高的热效率，系统整体能效率多大于50%，比单一热水系统或光伏系统效率有显著提高。同时30左右的进水经一天日照后温度可达60以上，可以满足家庭洗浴需要。实验系统所用扁盒式铝合金式集热板特点鲜明，如集热面积可通过改变拼装的扁盒式铝合金型条数目而随意改变；表面平整，易于将光伏电池真空层压在表面上；尤其重要的是型条之间榫接良好，集热板外表面平整美观，便于与建筑结合，作为外墙围护结构或铺设在屋顶，如图4和图2所示，在得到热水和电力之外可以降低建筑热负荷，有广阔应用前景。图2 系统运行原理图 另一方面，与光伏系统和集热

27、系统相互分离相比，PV/T一体化系统在将光伏电池与铝合金型条层压成形的制作工艺上略为复杂，劳动成本略高，但却节省了独立光伏系统中太阳电池板所必须金属边框和背板材料，同时节省了太阳能电池板封装的劳动成本。总体而言，一体化系统的生产成本略小于分离系统成本；而与光伏系统和集热系统相互分离相比，一体化系统将太阳能电池整合在热水器的吸热表面上，提高了单位集热面积的能量产出，因此可利用面积有限的场合如屋顶或建筑外墙上，以增加单位面积上有更多的热电产出。2.2 实际应用中怎样提高系统热电转化率提高系统转化率，一方面把热水器内的水循环，给光伏电池板降温，将水池里的水变成热水。另一方面则尽量让电池板垂直于太阳光

28、，或是用电脑控制电池板与太阳光线角度，使电池板与太阳光线垂直。而且受光面用上黑色导热的涂料涂均匀。而光热方面的水循环最好有热敏感应器来进行检测水温，以防止冷热不平均导致其效率下降。结论从探索研究发现，光伏光热混合系统一方面有效地利用了热能为供热水或空调等装置服务，同时也降低了太阳电池的温度，使得太阳电池转换效率得以提高，而使太阳能光伏系统发电量提高，大大地提高了系统效率。以达到充分利用太阳能。参考文献大问题：文献中所列出的【1】-【22】必须在文章中何处引用何处列出序号！1 21世纪高校规划教材（光伏专业）。光伏科学概论。陈幼松。总效率60%以上的光热混合太阳能利用系统。第5章 太阳能光伏发电

29、系统四节混合系统。2 中国北京光伏光热混合系统研究所网，研究资料数据。3 中太阳能光伏网，关于光热吸收解析。4 安文韬，刘彦丰。太阳能光伏光热混合系统研究。5王炳忠，太阳能辐射资源太阳能应用，北京：人民教育出版社，1995.6葛永乐主编.实用节能技术，上海：上海科学技术出版社，1993.7赵玉文，林安中，晶体硅太阳电池及材料.太阳能学报：特刊，1999，85-94.8曹丰.太阳和太阳能的利用.武汉教育学院学报，1996，15（6）：56-59.9阙端麟等.硅材料科学与技术.浙江：浙江大学出版社，2000.致谢值此论文付梓之际，心存感激。论文编写过程中，我在图书馆和网上查阅了部分资料，和同学们的帮助，再加上老师辛苦认真的批阅。感谢您们的帮助，我才得以完成论文。谢谢。