矩陣型聚光光伏光熱一體化系統設計與分析

無錫科技職業學院 ■ 朱芳

江蘇省太陽能技術高校重點實驗室(東南大學) ■ 杜斌 蔣川

南京帕偌特太陽能有限公司 ■ 王金平

0 引言

我國太陽能光伏產業在經歷了歐美“雙反”后逐漸恢復正常發展狀態，此次遭受歐美“雙反”影響的一個重要因素是我國的光伏產業近90%市場份額在國外，自身產業的發展受到國外的動態牽制。國內光伏市場份額小，歸其因主要是由于光伏發電系統成本昂貴。近年來，隨著科技的發展和新研究成果的不斷涌現，如新材料、新工藝等，光伏成本不斷降低，但仍無法與傳統的火電相媲美。

聚光光伏系統是利用價廉的聚光鏡部分代替高昂的電池，從而降低光伏發電系統成本。商業化的光伏電池的光電轉換效率一般為5%～20%，換言之，近80%的太陽能未得到合理利用，轉化為熱能，導致電池的溫度升高，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倍、數十倍，甚至數百倍，電池溫度急劇上升，所以，聚光光伏系統中，電池的冷卻裝置至關重要[1]。

自上世紀70年代，光伏光熱一體化的出現，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)系統是一種集太陽能光伏發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生電能，熱能從電池的冷卻系統中獲得[2]。

聚光光伏光熱一體化系統(c-PV/T)是集PV/T與聚光裝置為一體的系統，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，聚光太陽能技術一般可分為塔式、槽式和蝶式。塔式聚光技術一般用于高溫太陽能熱利用領域；槽式聚光技術一般用于中溫；蝶式一般與斯特林發電機聯合，構成分布式發電系統[5]。無論是哪種形式的聚光太陽能技術，目前的成本仍都很高，阻礙了市場的大規模應用。本文提出一種矩陣型c-PV/T系統，設計制作矩陣式聚光器和PV/T系統，并進行光學分析和仿真模擬。同時，研究系統的光電效率、光熱效率和綜合效率的評價方法。

1 系統理論設計

1.1 PV/T系統設計與制作

矩陣型c-PV/T系統是由矩陣型聚光器和PV/T構成，PV/T由光伏電池和冷卻系統構成，系統結構如圖1所示。

圖1 PV/T系統結構設計圖

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]。本文將熱管蒸發段改造成扁平狀，有利于增大換熱面積，提高傳熱效率，用導熱硅膠將扁平的蒸發段粘在電池的背面，熱管的冷凝段安裝在集箱中，集箱內部通冷卻水，將電池背板熱量帶走，并同時加熱冷卻水。冷卻系統由5個φ10 mm的熱管和1個φ40 mm的集箱構成，熱管間間距為50 mm，具體參數見表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。設計制作的PV/T系統如圖2所示。

表1 實驗PV/T參數

圖2 PV/T系統實驗樣品制作

1.2 矩陣聚光器設計

矩陣型聚光器利用平面鏡光學反射原理，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，但又有所區別。碟式聚光器由旋轉拋物面構成，制造工藝較為復雜，成本高；本方案是由一系列平面鏡組合安裝構成，具有制造工藝簡單、成本低、跟蹤精度要求低等優點。

圖3 矩陣聚光器平面結構

圖4 聚光器反射鏡的幾何位置

本文設計聚光器為5×5矩陣結構，共由24面反射鏡構成(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軸對稱，所以本文僅計算出第一象限內反射鏡的參數與安裝角度，見表2。

表2 第一象限反射鏡參數

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為余弦效應系數，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為鏡面發射率(假設為理想鏡面)，c=1。

將參數帶入式(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，對應于圖3a的坐標軸中心位置，Oi，j對應為聚光鏡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 中所示的幾何關系，可計算出聚光鏡Mi，j的安裝位置與角度。

2 光學分析

在SolidWorks三維設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，將三維實體模型導入光學軟件TracePro中進行光學分析。這里為簡化仿真過程，假設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的光強，計算光伏電池的吸收、出射的光線數量，得到電池表面的能流密度分布。當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。

不同反射鏡的光學分析結果如圖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PV/T集熱器部分沒有光強，這可能是由于在SolidWorks三維設計軟件中搭建模型時，M1，2和M2，1安裝位置出現偏差，這也正好驗證了圖5中邊緣出現較低的聚光強度。光學仿真結果表明，矩陣聚光器設計合理并且可行。

圖6 不同反射鏡的光學分析

3 c-PV/T系統評價方法

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

式中，ηe為c-PV/T系統的電效率；ηt為c-PV/T系統的熱效率；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的評價指標。

式中，ηpower為常規火電廠的發電效率，一般取 ηpower=0.38。

依據以上評價標準，只要計算出ηe和ηt就可對系統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 結論

提出一種矩陣型聚光光伏光熱一體化系統，基于電池板的傳熱特性和熱管技術，采用5個φ10 mm的熱管、1個φ40 mm的集箱和光伏電池構成PV/T集熱器，利用熱管高效的傳熱特性，將聚光產生的熱能快速、有效地傳遞出來。基于平面鏡反射原理，設計了矩陣型聚光器，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，將三維實體模型導入光學軟件TracePro中進行光學分析。分別對單個反射鏡進行了光學仿真，也對所有反射鏡同時聚光進行了光學仿真，假設反射鏡為理想鏡面時，其光學效率高達68.7%，仿真結果表明，設計的矩陣型聚光器是合理可行的。最后基于PV/T系統的研究，提出了c-PV/T系統的光電光熱總效率和光電光熱綜合效率，綜合評價c-PV/T系統的系統性能，為下一步的實驗研究奠定了理論基礎。

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