矩陣型聚光光伏光熱一體化系統(tǒng)設(shè)計與分析

無錫科技職業(yè)學(xué)院 ■ 朱芳

江蘇省太陽能技術(shù)高校重點實驗室(東南大學(xué)) ■ 杜斌 蔣川

南京帕偌特太陽能有限公司 ■ 王金平

0 引言

我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了歐美“雙反”后逐漸恢復(fù)正常發(fā)展?fàn)顟B(tài)，此次遭受歐美“雙反”影響的一個重要因素是我國的光伏產(chǎn)業(yè)近90%市場份額在國外，自身產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到國外的動態(tài)牽制。國內(nèi)光伏市場份額小，歸其因主要是由于光伏發(fā)電系統(tǒng)成本昂貴。近年來，隨著科技的發(fā)展和新研究成果的不斷涌現(xiàn)，如新材料、新工藝等，光伏成本不斷降低，但仍無法與傳統(tǒng)的火電相媲美。

聚光光伏系統(tǒng)是利用價廉的聚光鏡部分代替高昂的電池，從而降低光伏發(fā)電系統(tǒng)成本。商業(yè)化的光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率一般為5%～20%，換言之，近80%的太陽能未得到合理利用，轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池的溫度升高，電池溫度每升高1 ℃，效率約下降0.5%。在聚光條件下，電池表面的太陽輻射強度是非聚光條件下的數(shù)倍、數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍，電池溫度急劇上升，所以，聚光光伏系統(tǒng)中，電池的冷卻裝置至關(guān)重要[1]。

自上世紀(jì)70年代，光伏光熱一體化的出現(xiàn)，降低電池溫度的同時，也有效提高了太陽能的綜合利用率。所謂的光伏光熱一體化(PV/T)系統(tǒng)是一種集太陽能光伏發(fā)電與熱利用為一體的太陽能集熱器。太陽照射在集熱器的表面產(chǎn)生電能，熱能從電池的冷卻系統(tǒng)中獲得[2]。

聚光光伏光熱一體化系統(tǒng)(c-PV/T)是集PV/T與聚光裝置為一體的系統(tǒng)，聚光裝置可提高電池表面的太陽輻射強度，增加PV/T輸出電功率和熱功率[3，4]。

按聚光方式，聚光太陽能技術(shù)一般可分為塔式、槽式和蝶式。塔式聚光技術(shù)一般用于高溫太陽能熱利用領(lǐng)域；槽式聚光技術(shù)一般用于中溫；蝶式一般與斯特林發(fā)電機聯(lián)合，構(gòu)成分布式發(fā)電系統(tǒng)[5]。無論是哪種形式的聚光太陽能技術(shù)，目前的成本仍都很高，阻礙了市場的大規(guī)模應(yīng)用。本文提出一種矩陣型c-PV/T系統(tǒng)，設(shè)計制作矩陣式聚光器和PV/T系統(tǒng)，并進行光學(xué)分析和仿真模擬。同時，研究系統(tǒng)的光電效率、光熱效率和綜合效率的評價方法。

1 系統(tǒng)理論設(shè)計

1.1 PV/T系統(tǒng)設(shè)計與制作

矩陣型c-PV/T系統(tǒng)是由矩陣型聚光器和PV/T構(gòu)成，PV/T由光伏電池和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PV/T系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

利用層壓工藝將光伏電池與冷卻鋁板封裝在一起，將熱管的蒸發(fā)段安裝在鋁板背面，熱管冷凝段安裝在冷卻水管中，利用熱管的高性能傳熱特性，對光伏電池進行冷卻，同時獲得熱水。利用熱管進行冷卻，一方面冷卻效果好；另一方面，可有效解決水冷式光伏光熱一體化的防凍、防腐等問題[6]。本文將熱管蒸發(fā)段改造成扁平狀，有利于增大換熱面積，提高傳熱效率，用導(dǎo)熱硅膠將扁平的蒸發(fā)段粘在電池的背面，熱管的冷凝段安裝在集箱中，集箱內(nèi)部通冷卻水，將電池背板熱量帶走，并同時加熱冷卻水。冷卻系統(tǒng)由5個φ10 mm的熱管和1個φ40 mm的集箱構(gòu)成，熱管間間距為50 mm，具體參數(shù)見表1。為了減少熱損，在電池背面覆蓋一層厚度為20 mm的保溫海綿。設(shè)計制作的PV/T系統(tǒng)如圖2所示。

表1 實驗PV/T參數(shù)

圖2 PV/T系統(tǒng)實驗樣品制作

1.2 矩陣聚光器設(shè)計

矩陣型聚光器利用平面鏡光學(xué)反射原理，將入射太陽光反射到太陽電池板上，一方面可增加單位面積輻射量，提高光伏電池的輸出功率；另一方面可提高冷卻水的溫度，進而提高冷卻水的使用價值。矩陣型聚光器是將平面鏡按矩陣的形式排列(見圖3)，M0，0為電池位置，電池安裝高度h=1400 mm，如圖4所示。該方案類似于碟式聚光器，但又有所區(qū)別。碟式聚光器由旋轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成，制造工藝較為復(fù)雜，成本高；本方案是由一系列平面鏡組合安裝構(gòu)成，具有制造工藝簡單、成本低、跟蹤精度要求低等優(yōu)點。

圖3 矩陣聚光器平面結(jié)構(gòu)

圖4 聚光器反射鏡的幾何位置

本文設(shè)計聚光器為5×5矩陣結(jié)構(gòu)，共由24面反射鏡構(gòu)成(中心位置為PV/T接收器)，鏡面之間的距離p=40 mm，每塊反射鏡有效反射面積為300 mm×300 mm，厚度為3.5 mm。如圖4所示，反射鏡的排列按坐標(biāo)軸對稱，所以本文僅計算出第一象限內(nèi)反射鏡的參數(shù)與安裝角度，見表2。

表2 第一象限反射鏡參數(shù)

聚光比的計算式為[7]：

式中，i為聚光比；SA為聚光器的采光面積，m2；Sc為電池面積，m2；bi，j為余弦效應(yīng)系數(shù)，bi，j=cos2βi，j；SAi，j=Si，jcosβi，j為反射鏡Mi，j的采光面積，m2；其中，βi，j為太陽入射光線角度，( °)；Si，j為反射鏡Mi，j的鏡面面積；d為直接輻射到總輻射效率，d=0.69；c為鏡面發(fā)射率(假設(shè)為理想鏡面)，c=1。

將參數(shù)帶入式(1)可得i=13.58。

圖4中，O0為集熱器的中心位置；O為矩陣型聚光器的中心位置，對應(yīng)于圖3a的坐標(biāo)軸中心位置，Oi，j對應(yīng)為聚光鏡Mi，j的中心；βi，j為太陽入射光線角度；αi，j為集熱器的中心位置O0與聚光鏡Mi，j的中心Oi，j的夾角。由圖 4 中所示的幾何關(guān)系，可計算出聚光鏡Mi，j的安裝位置與角度。

2 光學(xué)分析

在SolidWorks三維設(shè)計軟件中繪制出矩陣型聚光器的三維實體模型，如圖3b所示，將三維實體模型導(dǎo)入光學(xué)軟件TracePro中進行光學(xué)分析。這里為簡化仿真過程，假設(shè)玻璃鏡面為理想鏡面，PV/T集熱器為理想集熱器[8]。

仿真光源采用格點光源，太陽輻射強度為880 W/m2，利用Monte Carelo法追跡所有進入系統(tǒng)的光強，計算光伏電池的吸收、出射的光線數(shù)量，得到電池表面的能流密度分布。當(dāng)光線垂直射入矩陣型聚光器后，光強分布較均勻，如圖5所示，范圍主要集中在[-130， 130]之間，聚光后平均光照強度達到12756 W/m2，光學(xué)效率為68.7%。

圖5 聚光后光伏電池不同部位的光強分布圖

由圖5可知，聚光后，電池表面能流密度分布較為均勻，僅在電池四周邊緣地方出現(xiàn)光強較低，最小值僅為5016.3 W/m2。為進一步研究矩陣聚光器的聚光特性，下文對第一象限的每個反射鏡面逐一進行仿真分析。

不同反射鏡的光學(xué)分析結(jié)果如圖6所示。由圖 6 可知，M0，1的平均值為 837.89 W/m2，明顯優(yōu)于M0，2的平均值 785.8 W/m2，這是由于M0，1的反射角小于M0，2；M1，1的平均值為 812.69 W/m2，明顯優(yōu)于M1，2的平均值666.36 W/m2。值得提出的是，M1，2和M2，1具有對稱性，仿真過程中，出現(xiàn)PV/T集熱器部分沒有光強，這可能是由于在SolidWorks三維設(shè)計軟件中搭建模型時，M1，2和M2，1安裝位置出現(xiàn)偏差，這也正好驗證了圖5中邊緣出現(xiàn)較低的聚光強度。光學(xué)仿真結(jié)果表明，矩陣聚光器設(shè)計合理并且可行。

圖6 不同反射鏡的光學(xué)分析

3 c-PV/T系統(tǒng)評價方法

為了進一步系統(tǒng)化研究c-PV/T系統(tǒng)，需提出能準(zhǔn)確反映c-PV/T系統(tǒng)性能的評價體系。目前關(guān)于c-PV/T系統(tǒng)綜合評價標(biāo)準(zhǔn)的文獻較少，本文采用參考文獻[9，10]提出的使用光電光熱總效率η0評價系統(tǒng)綜合性能的方法來綜合評價c-PV/T系統(tǒng)。

式中，ηe為c-PV/T系統(tǒng)的電效率；ηt為c-PV/T系統(tǒng)的熱效率；λ為光伏電池覆蓋率，λ=APV/AC；APV為電池面積，m2；AC為集熱板有效面積，m2。

為進一步描述系統(tǒng)的綜合性能，本文還引入了文獻[11]提出的光電光熱綜合效率作為系統(tǒng)的評價指標(biāo)。

式中，ηpower為常規(guī)火電廠的發(fā)電效率，一般取 ηpower=0.38。

依據(jù)以上評價標(biāo)準(zhǔn)，只要計算出ηe和ηt就可對系統(tǒng)綜合性能作出較為合理的評價。

式中，A為采光面積，m2；G為太陽輻照度，W/m2。

式中，m為冷卻水的質(zhì)量流率，kg/s；cp為冷卻水的熱熔，J/(kg·K)；Tin、Tout分別為冷卻水的進、出口溫度，K。

4 結(jié)論

提出一種矩陣型聚光光伏光熱一體化系統(tǒng)，基于電池板的傳熱特性和熱管技術(shù)，采用5個φ10 mm的熱管、1個φ40 mm的集箱和光伏電池構(gòu)成PV/T集熱器，利用熱管高效的傳熱特性，將聚光產(chǎn)生的熱能快速、有效地傳遞出來。基于平面鏡反射原理，設(shè)計了矩陣型聚光器，聚光比i=13.58。為驗證矩陣型聚光器的正確性，在SolidWorks三維設(shè)計軟件中繪制出矩陣型聚光器的三維實體模型，將三維實體模型導(dǎo)入光學(xué)軟件TracePro中進行光學(xué)分析。分別對單個反射鏡進行了光學(xué)仿真，也對所有反射鏡同時聚光進行了光學(xué)仿真，假設(shè)反射鏡為理想鏡面時，其光學(xué)效率高達68.7%，仿真結(jié)果表明，設(shè)計的矩陣型聚光器是合理可行的。最后基于PV/T系統(tǒng)的研究，提出了c-PV/T系統(tǒng)的光電光熱總效率和光電光熱綜合效率，綜合評價c-PV/T系統(tǒng)的系統(tǒng)性能，為下一步的實驗研究奠定了理論基礎(chǔ)。

[1] 王一平， 李文波， 朱麗， 等. 聚光光伏電池及系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 [J]. 太陽能學(xué)報，2011， 32(3)： 433 － 435.

[2] Ji J， Jiang B， Yi H， et al. An experimental and mathematical study of efforts of a novel photovoltaic-Trombe wall on a test room[J]. International Journal of Energy Research， 2008， 32(6)：531－542.

[3] Chow T T， Tiwari G N， Menezo C. Hybrid solar： A review on photovoltaic thermal power integration[J]. International Journal of Photoenergy， 2012， 32(6)： 1 － 17.

[4] Chow T T， He W， Ji J. An experimental study of fa?adeintegrated photovoltaic/water-heating system[J]. Applied Thermal Engineering， 2007， 27(1)： 37 － 45.

[5] 張耀明， 王軍， 張文進， 等. 塔式與槽式太陽能熱發(fā)電[J].太陽能 ， 2006， (2)： 29 － 32.

[6] 符慧德. 熱管式光伏光熱綜合利用系統(tǒng)的理論和實驗研究[D]. 安徽： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2012.

[7] Su Z Y， Zhang Y M， Jin M P， et al. Design of refl ective model with application for concentrator photovoltaic system[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2011， 24(6)： 1007 － 1012.

[8] 張晴. 低倍聚光光伏系統(tǒng)的設(shè)計及實驗研究[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2012.

[9] 季杰， 陸劍平， 何偉， 等. 一種新型全鋁扁盒式PV/T熱水系統(tǒng) [J]. 太陽能學(xué)報 ， 2006， 28(8)： 765 － 773.

[10] 吳雙應(yīng)， 張巧玲， 肖蘭， 等. 采用熱管冷卻技術(shù)的太陽能光伏電-熱一體化系統(tǒng)性能分析[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2011，31(32)： 137 － 144.

[11] Bergene T， Lovik O. Model calculations on a fl at—plate solar heat collector with integrated solar cells[J]. Solar Energy， 1995，55(6)：453 － 462.