一种新型热电互补太阳灶设计

周冰 张永萍 严桂林

摘要：当今，新能源技术的应用已日益广泛，尤其太阳能的利用已经非常普遍，太阳能利用有光伏发电、热发电、光热利用等等，太阳灶在我国已经是非常普及的一种太阳能热利用的设备，尤其是在广大农村。但由于其只能供热，且无法实时跟踪阳光，效率较低。本项目是一种新型的热电互补太阳灶。由灶体、砷化镓太阳电池、蓄电池、换热器、蓄水箱、自动跟踪装置组成。太阳灶汇聚阳光照射到砷化镓太阳电池上，发电并储存到蓄电池中，通过换热器给电池散热的同时，循环加热其中的冷水，充分利用砷化镓电池发电所产生的余热，也可以直接放置水壶锅等烹饪食物的器具，进行直接加热。使用自动跟踪装置，对太阳方位进行实时追踪，实现最大功率输出。整个系统效率高、用途广、成本较低、运行平稳、功能易于实现，有较好的市场推广应用潜力。

关键词：太阳灶;聚光;光伏发电;热电互补

1.设计背景

21世纪以来，能源危机日益严峻，煤气涨价、电价上升、油价连续走高，人们逐渐把目光转向了太阳能的利用上。而在缓解农村能源紧缺、保护农业生态环境方面，太阳灶起到了很好的作用。

太阳灶的热量高，太阳灶汇集的光线温度相当于1000瓦功率的电炉，1千克生水仅用8分钟即可煮沸，节能环保，对环境和人体没有任何污染;操作简单，成本较低，在任何有阳光的地区都可以使用。

现有太阳灶的使用对环境有一定的依赖，只能在白天晴天使用，阴雨雪天和夜晚无法使用。总体热性能不高，多数时刻的太阳高度角，距离“设计初始太阳高度角”较远，斜射角较大，散光严重，且无法及时跟踪阳光，利用率较低。

本项目将普通聚光太阳灶与砷化镓太阳电池相结合，并且增加自动跟踪装置，实时跟踪阳光，提高系统效率。在将太阳能转换为热能和电能的同时，通过主动制冷的方式，对太阳电池快速散热，同时，充分利用热能产生热水，最终实现太阳能光热和光伏的综合利用，充分发挥整体效能。

2.设计思路

2.1总体设计思路

将砷化镓太阳电池与太阳灶相结合，不仅能够汇聚阳光加热介质，在烹饪时间之外，利用砷化镓电池发电并存入蓄电池为控制装置及其他用电器供电;配置换热器与蓄水箱，充分利用砷化镓电池发电时所产生的余热;使用自动跟踪装置，实时跟踪阳光，从而使系统效率得到提升。

2.2单元设计

（1）灶体

在考虑成本的基础上，仿照通用的聚光太阳灶，使用菱镁复合材料，强度高、价格低、成形性好、方便运输;反光材料使用镀铝薄膜，反射率高、使用更换方便。

（2）光电转换

光电转换部分采用砷化镓太阳电池，与换热器相结合，在转换电能的同时将热量传输至换热器，给电池散热的同时充分利用发电所带来的热能，使换热器内冷水的温度得到提升。

聚光光伏所利用的太阳电池是技术的重心和根本，初期大多使用晶体硅太阳电池。因为砷化镓多结电池光电转换效率高，而且具备很好的高温特征可实现高倍聚光，目前国际上更趋向于使用其使高倍聚光光伏技术得到快速发展。与硅晶体太阳能电池和薄膜电池相比，砷化镓太阳能电池可采用聚光技术和光追踪技术，优势突出。

电池和冷却介质间优良的热传导性和电绝缘性以及电池工质的渗漏问题是电池水冷必须解决的主要问题。

采用可移动装置，在装置背面安装砷化镓电池，接收太阳灶汇聚的阳光进行发电，在装置背面安装换热器，在给砷化镓电池散热的同时加热换热器内由水泵循环泵送的冷水，并储存到蓄水箱中，供用户日常使用，也可以将砷化镓电池移动到支架后方，在支架上部直接放置水壶锅等烹饪食物的器具，使所汇聚阳光直射加热容器底部，实现快速加热，达到光伏与光热的同时利用。

（3）自动跟踪装置

使用太阳能自动跟踪器控制直流减速电机转动，达到实时跟踪阳光的目的，大大提高太阳能的利用率。跟踪精度高，平均跟踪精度≤1度，一分钟跟踪一次，具有自动运行、手动运行、参数设定三种状态可供选择，具有手动控制功能，方便跟踪系统调试、维护，有效日照时间内全程自动跟踪控制，一天跟踪完成后，自动回到初始设定位置。

（4）主体

主机部分主要用来放置储能蓄电池、充电控制器和阳光跟踪控制系统，设置在灶体下部，避免阳光照射，也可降低灶体重心，稳定灶体。并且蓄电池中储存的电能可为自动跟踪装置，水泵等设备中的组件进行供电，大大减少连接线路的复杂程度以及太阳灶使用的局限性，也可以为庭院灯等小型用电器进行供电。

3.存在的问题

太阳灶的成功设计与使用使人们能更好地利用太陽能，但本研究所使用的砷化镓电池中的砷熔点仅有615℃，因此砷为蒸汽，剧毒。砷在空气中的最高容许浓度为0.0003mg/l。在空气中加热后会发生氧化还原反应，产生三氧化二砷（砒霜）的剧毒物质，致死量0.1g。因此砷化镓后期的回收与处理问题十分严峻。此外，自动跟踪装置的使用虽然大大提高发电量，但长期处于室外使自动跟踪装置的保护与维修显得十分重要。

4.前景与展望

计划研究的太阳灶将砷化镓太阳电池与太阳灶相结合，实现太阳灶的热电互补;配置换热器与蓄水箱，给电池散热的同时，充分利用其发电时所产生的余热;使用太阳能自动跟踪器控制直流减速电机转动，达到实时跟踪阳光的目的，大大提高太阳能的利用率;并且在烹饪时间之外，利用砷化镓太阳电池发电并存入蓄电池为控制装置供电，也可为庭院灯等小型用电器供电。目前市场上的太阳灶功能单一，且热效率低，但潜在市场很大。我们对太阳灶的改进技术成本较低，效率更高，用途更广，因此有着明显的竞争优势。