1、I学 科 类：工学 学 号： 学校代码： 密 级：本科生毕业论文热能利用型光伏发电系统院 系： 新能源科学与工程学院 专 业： 光电信息工程 姓 名： 指导教师： 答辩日期： 年 月摘 要热能利用型光伏发电系统作为一种利用太阳能同时获得热能和电能的新型利用方式，近几年来受到人们的广泛关注，也出现了大量成功的示范工程。本文对热能利用型光伏发电系统的组建方法和如何提高太阳能转换效率方面进行了探索和研究，提出了一种新型的高效率应用系统热能利用型光伏发电系统。热能利用型光伏发电系统将太阳能集热器与太阳能光伏电池组件结合在起来，在单位面积内同时利用光的热能和能量。即把太阳能转化为电能输出的同时通过集热器
2、中的水带走电池的热量并利用，不仅可以降低太阳能电池的温度,提高光伏发电效率,而且能够产生热能，提供热水，从而大大提高了太阳能的综合利用效率。因此本文重要概述热能利用型光伏发电系统的原理、构成、组装及应用。关键词：热能利用型光伏发电系统；集热器；光生伏特效应；转换效率；结构设计AbstractA new type of utilization way called Photovoltaic/Thermal(PV/T) system,which can convert solar energy into both power and thermal energy at the same time,
3、becomes much more popular recently,there have been a large number of successful demonstration projects.Implementation of solar photovoltaic, solar thermal hybrid system and in improving the rate of solar energy applications in the exploration and research,a new type of solar high-efficiency applicat
4、ions - Photovoltaic/Thermal(PV/T) system. Photovoltaic/Thermal(PV/T) system combines the function of photovoltaic cells and solar thermal collector,use of light energy and heat per unit area at the same time.Which converts the the solar energy into electricity,and at the same tiame outputs thermal e
5、nergy through the fluid heated by the thermal collector,photovoltaic/Thermal(PV/T) system can reduce the operating temperature of the PV modules,keeping the electrical efficiency at a high level .Furthermore,it can also provide heat,supporting hot water.These make the system achieve a higher convers
6、ion rate of the absorbed solar radiation.So,this article important overview of photovoltaic solar thermal hybrid system of what constitutes the principle and assembly applications. Key words: photovoltaic/Thermal(PV/T) system; collector; photovoltaic effect; photovoltaic conversion efficiency; struc
7、ture design目 录1、绪论11.1 研究背景11.1.1 太阳能资源优点21.1.2 光热利用现状31.1.3 光伏利用现状31.2 热能利用型光伏发电系统理论依据和研究意义41.3 热能利用型光伏发电系统特点及本文工作5二、热能利用型光伏发电系统概述62.1 热能利用型光伏发电系统的基本组成62.1.1 光热系统的基本组成62.1.2 光伏系统的基本组成62.2 太阳能光热系统的制备与安装72.2.1 太阳能集热器工作原理72.2.2 太阳能集热器系统设计82.3 太阳能光伏系统中的太阳能电池制备与封装82.3.1 太阳能电池原理82.3.2 太阳能电池制备工艺流程9三、太阳能热水
8、器和太阳能电池的合理搭配设计113.1 热能利用型光伏发电系统合理设计113.2 实际应用中提高系统转化率13四、结论14五、参考文献15 致 谢17南昌理工学院本科生毕业论文1一、绪论1.1 研究背景由于人口的快速增长、发展中国家的经济扩张及人们的生活品质不断提高，人类对能源的需求急剧上升，目前主要利用的能源有石油、煤炭、天然气等化石能源，在世界一次能源中约占 87%，其中，石油 35%、煤炭 30%、天然气 23%1。而化石能源并非取之不尽、用之不竭。根据国际能源机构统计，目前可供开采的化石能源约为12001530 亿吨，以年平均开采量 33.3 亿吨来算，全球石油储量将于 2050 年用
9、尽，而中国的储量大概可以用 15 年；可供开采量的煤炭约为 5600 亿吨，以年平均开采量 33亿吨算，全世界还可供应约 230 年，中国可用约 81 年；天然气储量约为13201530108m，以年平均开采量 24108m来算，全球天然气储量将在 6070 年内用尽，而中国的储量只可用 30 年 2（图 1.1）。当今能源储量不断衰减与能源需求量不断增长的矛盾逐渐加剧，能源问题越来越突出，如果不寻找新的替代能源，整个世界将面临一次新的能源危机 3，寻找新能源已迫在眉睫。图 1.1 世界和中国化石能源可使用年限目前，前景较好的替代能源有太阳能、风能、地热能等可再生能源。资料显示，到 2050
10、年，可再生能源的利用将会占到总的能源的 50%以上 4。其中太阳能的开发和利用已成为全球能源研究的热点，许多成熟的技术给解决全球能源危机带来了希望。太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源。虽然有一些间歇性、低密度、空间分布变化和现今的利用效率不高的缺陷。但是光伏组件制造工艺的不断改进, 光伏组件的价格的持续下滑，光伏发电逐渐引起了人们的重视,其前景是非常广阔的，所以世界各国都在加强太阳能的开发和利用。如美国“百万太阳能屋顶计划”、“阳光计划”，日本的“朝日计划”、“阳光计划”、“光月计划”、德国的“十万屋顶计划”等。太阳能热利用的效率能够达到 6070%，但得到的能源品位通常不高，而能够得
11、到高品位能的太阳能光伏发电，其利用效率比较低。当太阳光照射到光伏电池组件上时，只有部分能量能够被其转换成电能，其余的能量不但不能转化成电能输出，还会成为废热使得光伏发电效率下降。所以提高系统的效率、降低系统综合成本已成为太阳能光伏系统应用的关键。1.1.1 太阳能资源优点太阳能是太阳内部核聚变反应所释放的能量。太阳能有如下优点： (1)普遍：太阳能如空气一样，没有地域的限制，无论海洋或陆地，无论岛屿或高山，相对于其他能源来说是一种存在广泛、平等给予、便于采集且无须开采和运输可直接开发和利用的能源。正因为世界各地都有太阳能可供就地取用，有利于缓解偏远或交通不便地区等的能源供应问题；(2)巨大：地
12、球表面每年所接收的太阳辐射能相当于 170 万亿吨煤，其总量是目前世界上可以开发的能源中最大的，相当于现今全球能源消耗总量的 2 万倍；(3)长久：据研究太阳系已经存在约 50 亿年之久,太阳能源自于其内部高压高温下所进行的热核反应。以太阳产生的核能速率估算，太阳足够维持 80 亿年之久，而地球的寿命约为几十亿年，因此，从这个意义上讲，太阳能可谓是取之不尽，用之不竭； (4)清洁：开发利用太阳能时既不会污染环境，也不会破坏生态环境，它是最清洁能源之一，且无危险，这在环境污染越来越严重的今天显得尤为重要。这些优势使其具有极其广阔的前景。目前，太阳能的利用方式主要分有两类：一类是光热利用，另一类是
13、光伏利用。1.1.2 光热利用现状太阳能热利用应用广泛，可以归纳为建筑用能与太阳能热发电，建筑用能主要包括生活热水、采暖和空调。其中现今利用最活跃的是太阳能热水器如图 1.2 所示。图 1.2 太阳能热水器太阳能热水器是现今太阳能热利用应用最为普遍、商业化程度最高、技术相对最成熟的装置。经过 20 多年的发展，我国太阳能热水器行业进入了一个新的历史阶段，规模与技术在不断发展和成熟。到 2013 年，世界上 80%左右的集热器都是由我国生产，我国成为世界上太阳能热水器产量和销售量最大的国家 5。现在使用比较多的太阳能收集装置，有平板型集热器、聚光型集热器和真空管集热器三种。工作原理是温室效应，由
14、于顶部透明盖板能透过大部分短波而阻挡住大部分长波，太阳光短波辐射使吸收板升温，不断加热管道内的传热工质。但是，太阳能热水器受气候环境影响较大，在日照时间少的情况下经常达不到用热指标。因此提高集热性能，扩大适用季节和范围是我国未来太阳能热水器的发展方向。1.1.3 光伏利用现状太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池(图 1.3)的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换为电能的一种新型系统，有独立和并网两种系统。在传输方便，通用性、可存储性等方面有着无可替代的优势。此外，太阳能光伏电池最常用的原料-硅储量丰富，而且光伏发电效率在不断提高、成本不断下降，使得太阳能光伏发电将成为未来能源和人类社会中的一个重要
15、的角色。除此之外，光伏发电还有着许多的优点：（1）维护简单，易于使用。（2）安全、环保、没有噪声。（3）运输安装方便，施工周期短。（4）结构简单，体积小且轻。（5）可靠性高，使用寿命长，应用范围广 6。图 1.3 太阳能光伏板当今世界光伏产业已成为发展最迅速的高新产业之一，2005 年全球光伏组件产量已达到 1200MW7。据专家预测，到 21 世纪中叶，在整个能源利用结构中光伏发电将占 2030%8。1.2 热能利用型光伏发电系统理论依据和研究意义实验研究表明，单晶硅太阳能电池理论上的最大转换效率在 0时有 30%9。而在实际应用中, 硅太阳能电池的转换效率在标准条件下约为 12%17%10
16、。我们可以看出有 82%以上的太阳能未能转换为有用能量,也可以说成一部分能量转化为了热能,并使硅太阳能电池自身的温度升高，从而导致功率下降。硅太阳能电池光电转换效率随温度变化的曲线如图 1.4 所示 11,即电池温度每升高 1,相对效率约下降 0.5%12。图 1.4 太阳能硅电池光伏效率随温度变化曲线因此有人提出,通过流体流动将太阳能电池温度升高的热量加以回收利用,这样即能降低光伏电池温度，使其不在高温下运行，提高其光电转换效率和使用寿命，又能得到额外的热量,即同时得到热、电两种输出，从而提高太阳能的综合利用效率。于是热能利用型光伏发电系统由此产生。热能利用型光伏发电系统与独立的集热系统和光
17、伏发电系统相比,可以共用一些组件降低成本，减少安装面积也有利于建筑美观。1.3 热能利用型光伏发电系统特点及本文工作热能利用型光伏发电系统具有太阳能热水器与太阳能电池阵列组合的功能，它具有如下特点：（1）太阳电池的转换效率大约为 17%，加上集热功能，热能利用型光伏发电系统可使综合能量转换效率提高：（2）集热流体的循环运动可促进太阳电池阵列的冷却效果，可抑制太阳电池单位温度上升而转换效率下降 13，提高太阳能的利用率。也就是在单位时间单位面积内利用光的能量的同时也利用光的热能提供热水并且降低了太阳能电池的温度，使太阳能电池的转换效率大幅地提高了。因此本文重点介绍热能利用型光伏发电系统的构成、原理、组装及应用。2、热能利用型光伏发电系统概述2.1 热能利用型光伏发电系统的基本组成2.1.1 光热系统的基本组成光热系统中产生的热水可加以利用，比如提供生活热水或某些工艺需要的低温热水。因此，本文采用水作为集热流体。太阳能光热系统的基本组成部分：集热器、蓄热槽、贮热水槽、热泵，暖气和冷气负荷。如图 2.1 所示。集热器：能将太阳能的热能收集起来并转换为热能的器件；贮热水槽：将从集热器出来的热水收集起来的容器；热泵：能使热水和冷水循环加强换热效果的器件。
