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化工学院
太阳能高效聚光热电联合供能系统
来源: 日期:2017年08月06日 19:49 点击数:

负责人: 魏进家

联系电话:13072958698

E-mail:jjwei@xjtu.edu.cn

所在学院:化工学院

一. 项目简介:应用背景

太阳能光伏发电及太阳能热水器是目前太阳能利用最为成熟和广泛的两个技术领域,但是由于其产能形式单一,最终严重制约了其进一步的技术发展和市场推广前景。

其中太阳能光伏发电存在光电转化效率低(由于温度效应,晶硅型光伏发电系统综合光电转化效率只能达到12%-13%),光伏组件成本高,导致其成本回收期长。同时光伏电池生产也存在高能耗高污染的问题。

如何提高单位面积光伏电池的发电量,减少电池用量是降低系统成本提高发电收益的重要手段。通过聚光可以有效提高光伏电池片表面的太阳能能流密度,并大大增加光伏电池的光电输出功率,成倍减少电池片用量(用量为传统技术的1/4),间接降低了光伏电池生产的总能耗和总污染,但是提高电池表面太阳能能流密度的同时,电池的温度也急剧升高,严重影响电池的电输出性能和使用寿命,只有通过水冷的方式来降低电池温度,这就形成了该技术手段的另一种产能形式,太阳能热水。即太阳能热电联供。

二. 技术进展

1.  核心技术

(1).设计并制造了EMR型复合抛物面聚光器,较传统复合抛物面聚光器聚光光斑均匀度得到了极大的提升,使其能够应用在光伏聚光领域;其镜片高度仅为传统聚光器的一半,大大降低了成本,提高了抗风雪能力。具体性能详见表1.

表1. 太阳4倍聚光条件下EMR型聚光器与传统复合抛物面聚光器性能对比

 

传统复合抛物面聚光器

EMR型聚光器

高度

1.5m

0.7m

1m2采光面积下镜片使用量

5.1 m2

2.4 m2

1m2采光面积下镜片成本

1530元

720元

最佳聚光面均匀度

40%

60%

聚光效率

79%

81%

 

(2).设计并制造了聚光光伏光热综合利用组件,采用低倍聚光晶体硅光伏电池以及方形通道换热器,通过改进后的传统层压工艺将晶体硅光伏电池层压到方形通道换热器上,可降低光伏电池内阻并增加总传热系数,实现输出更多的电能和热能,并保证了聚光光伏光热综合利用组件的使用寿命。

“EMR型复合抛物面聚光器”和“聚光光伏光热综合利用组件”两种核心设备已经实现规模化生产。课题组制定并掌握全部生产工艺流程。

2.  系统集成

基于以上两种核心组件的设计制造完成,目前已经建成12m2采光面积双轴跟踪实验系统,6m2采光面积实验系统,810m2采光面积单轴跟踪高效聚光热电联合供能示范系统(光电光热总装机容量500kW)。如图1所示。

(a)12m2采光面积双轴跟踪高效聚光热电联合供能实验系统

(b)810m2采光面积单轴跟踪高效聚光热电联合供能示范系统局部

(c)810m2采光面积单轴跟踪高效聚光热电联合供能示范系统整体

图.1. 高效聚光热电联合供能实验系统及高效聚光热电联合供能示范系统

以上系统的热电输出性能均通过了权威第三方机构的测试认证,其中810m2采光面积单轴跟踪高效聚光热电联合供能示范系统的光电转化效率达到了12.3%(单片电池的输出功率为传统光伏系统电池输出功率的3-4倍),光热转化效率达到了52.7%,光电光热综合效率达到了65%。根据目前的系统运行数据,综合系统建设成本,可以得到系统年光电光热总产能及成本回收期。详见表2.

表2.示范系统产能及系统回收期

高效聚光热电联合供能示范系统成本回收期

采光面积(m2)

810

占地面积(m2)

1215

系统总投资(万元)

194.4

系统年发电量(万kW·h)

10.344

系统年电产值(万元)

10.344

系统年热产量(t)

15584

系统年热产值(万元)

38.993

系统总投资回收期(年)

3.94

3.  知识产权

在系统关键设备的研制和系统集成过程中课题组共申请国家发明专利6项,授权2项,申请实用新型专利2项,授权2项。

三. 技术优势

1.  太阳跟踪系统

EMR型聚光具有较大的采光半角,所以本系统的单轴跟踪模块采用低精度跟踪策略,不需要跟踪误差实时修正,造价与运行成本非常低。

2.  系统回收期

810m2采光面积示范系统的成本回收期可以控制在4年内,西安为太阳能资源三类地区,而处于我省北部的榆林地区为太阳能资源二类地区,回收期可缩短到3.4年内,一类地区回收期可缩短至2.9年内。而传统的光伏发电系统的成本回收期为8-10年。

3.  系统占地面积

810m2采光面积高效聚光热电联合供能示范系统占地面积为1215 m2,年产光伏电力10.344万kW·h,光伏热水15584吨,而利用传统光伏发电技术及传统太阳能热水技术获得与本系统同样多的光伏电力和光伏热水,则需要分别建设占地面积约为1215 m2的光伏电站及占地面积约为1215 m2的太阳能热水器阵列。

四. 产业化前景及技术延伸

本聚光热电联产装置,可根据大、中、小以及分布式的不同建造规模要求,进行自由组合,投资方式灵活,产业化前景好。其主要面向客户为电力和热水使用量较大的酒店,洗浴中心,家庭用户,纺织企业,农业蔬菜大棚,海上岛礁等。

在技术延伸上,本聚光热电联产装置可方便灵活的集成热泵、吸收式制冷以及膜蒸馏等技术。其中耦合膜蒸馏技术可以应用于海水淡化,使其更适用于海上岛礁推广使用,实现在海上岛礁的电能及热水一体化供应;耦合吸收式制冷技术及热泵技术可以使其广泛的用于办公楼宇、居民住宅的电力供应、夏季制冷及冬季供暖。

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