矩陣型聚光光伏光熱一體化系統(tǒng)熱電性能研究

淮南聯(lián)合大學(xué)機(jī)電系 ■ 李錦鵬

江蘇省太陽能技術(shù)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東南大學(xué)） ■ 蔣川

0 引言

自20世紀(jì)70年代，光伏光熱一體化的出現(xiàn)既增加了系統(tǒng)的電量輸出，又可回收熱量，提高了太陽能的綜合利用效率，因而近年來受到廣泛重視，成為提高太陽能利用率的重要途徑[1]。光伏光熱一體化(Photovoltaic/Thermal Collector，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(Concentrator-type Photovoltaic/Thermal Collector，c-PV/T)系統(tǒng)是集PV/T與聚光裝置為一體的系統(tǒng)，聚光裝置可以提高電池表面的太陽輻射強(qiáng)度，增加PV/T輸出的電功率和熱功率[3,4]。

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，硅太陽電池的成本不斷降低，低倍聚光光伏的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性也隨之降低。然而多結(jié)砷化鎵等材料制備的聚光太陽電池的成本是晶體硅太陽電池的幾十倍，甚至上百倍，因此，多結(jié)砷化鎵等材料制備的聚光太陽電池都采用高倍聚光形式以減少成本，但高倍聚光后，電池散熱是亟待解決的問題。高倍聚光光伏光熱一體化既可解決散熱問題，又可獲得具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的生活熱水，是該領(lǐng)域研究的主要發(fā)展方向。目前，光伏光熱一體化技術(shù)還缺少比較全面、系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。各國(guó)學(xué)者都在積極尋找能夠提高太陽能全年利用效率的方法，開辟一條利用太陽能熱電聯(lián)供的嶄新技術(shù)途徑[5]。我國(guó)制定的《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》已明確指出，要推動(dòng)太陽能多元化利用，全面推進(jìn)分布式光伏和“光伏+”綜合利用工程[6]。

季杰等[7]研制出一種新型PV/T系統(tǒng)，其日平均熱效率約為40%，日平均發(fā)電效率可達(dá)9.5%，PV/T系統(tǒng)綜合性能效率達(dá)到60%以上。孫健[8]建立了聚光條件下太陽電池的熱平衡方程及電學(xué)特性模型，并利用模型對(duì)電池的輸出特性進(jìn)行了計(jì)算。研究結(jié)果表明，聚光太陽電池的工作溫度隨聚光率的增加而升高，電池效率和輸出功率隨聚光率的增加先增后降，且存在一個(gè)最大的輸出功率。翟輝等[9]建立了基于菲涅爾透鏡的聚焦型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的一維穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對(duì)6種不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的熱、電效率和火用效率進(jìn)行了研究，犧牲很小的光電效率就可獲得更多的熱能，太陽能的綜合利用效率得到大幅提高。但隨著聚光比的提高，光學(xué)效率有所降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的火用效率降低。符慧德[10]設(shè)計(jì)和搭建了熱管式PV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，研究表明，熱管式PV/T系統(tǒng)具有良好的光電、光熱性能，其全天平均光熱效率可達(dá)45.8%，平均光電效率可達(dá)11.2%，平均光電光熱綜合效率達(dá)到52.3%。Hu等[11]利用線性菲涅爾反光鏡制作聚光裝置，并制作光譜分頻裝置，得到的光熱轉(zhuǎn)換效率超過30%。Akbarzadeh等[12]研究了基于熱管技術(shù)的聚光太陽電池冷卻裝置，聚光太陽電池安裝在熱管的蒸發(fā)段，熱管的冷凝段采用翅片散熱，將聚光太陽電池產(chǎn)生的熱能迅速傳遞到空氣中，系統(tǒng)的預(yù)熱沒有進(jìn)一步利用。Soule等[13,14]提出利用圓頂型線性菲涅爾鏡制作太陽能聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能的分級(jí)利用。Jiang等[15,16]提出一種碟式聚光PV/T系統(tǒng)，聚光效率達(dá)到66.1%～78%，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18%。Lasich等[17]研制了一種槽式聚光光伏光熱一體化系統(tǒng)，利用二次反射將光線反射到集熱器上，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.4%，光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.4%。Coventry等[18]構(gòu)建了復(fù)合熱電太陽能系統(tǒng)，聚光比約為25～32，聚光形式為拋物面結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其熱效率達(dá)到50%，光電效率達(dá)到10%。Farahat[19]研究了溫度和聚光對(duì)太陽電池性能的影響，并對(duì)水冷和熱管冷卻兩種光伏冷卻方法進(jìn)行了對(duì)比研究。朱芳等[20]提出了矩陣型c-PV/T系統(tǒng)并進(jìn)行了光學(xué)仿真研究，其光學(xué)效率達(dá)到68.7%。

如何提高太陽能的綜合利用效率？在聚光條件且電池具有良好的光電轉(zhuǎn)換效率的前提下，適當(dāng)提高電池的工作溫度，以獲得溫度較高的冷卻水，即余熱的熱能溫度，達(dá)到具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文提出一種矩陣型c-PV/T系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作了矩陣型聚光器和PV/T系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)太陽能發(fā)電和熱利用進(jìn)一步推廣具有積極意義。

1 c-PV/T系統(tǒng)制作

1.1 水冷型PV/T接收器制作

矩陣型c-PV/T系統(tǒng)是由PV/T接收器和矩陣型聚光器構(gòu)成。根據(jù)冷卻流體不同，PV/T接收器可分為水冷型PV/T、氣冷型PV/T和熱管型PV/T。由于水冷型PV/T結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，所以本文制作水冷型PV/T接收器。

水冷型PV/T接收器由太陽電池和冷卻裝置構(gòu)成。其中，太陽電池采用單晶硅太陽電池，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為17.85%，其與PV/T的參數(shù)如表1所示，水冷型PV/T接收器剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，太陽電池封裝在冷卻鋁板上，3根冷卻流道利用導(dǎo)熱膠粘貼在冷卻鋁板的背面。設(shè)計(jì)制作的水冷型PV/T接收器實(shí)驗(yàn)樣品如圖2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)PV/T參數(shù)

圖1 水冷型PV/T接收器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水冷型PV/T接收器實(shí)驗(yàn)樣品

1.2 矩陣型聚光器制作

矩陣型聚光器是由一系列的平面鏡組合安裝構(gòu)成，具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、跟蹤精度要求低等優(yōu)點(diǎn)。這一聚光方式的優(yōu)點(diǎn)在于聚光比較高，同時(shí)還可以利用部分散射光線。矩陣型聚光器的排列形式如圖3、圖4所示[20]，其中，M0,0為電池位置。

圖5為聚光器反射鏡的幾何位置，O為矩陣型聚光器的中心位置，對(duì)應(yīng)于圖3的坐標(biāo)軸中心位置；O0為集熱器的中心位置，Oi,j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；h為電池的安裝高度，取1400 mm。由圖5中所示的幾何關(guān)系，可計(jì)算出聚光鏡Mi,j的安裝位置與角度。

圖3 矩陣型聚光器平面結(jié)構(gòu)

圖4 矩陣型聚光器立體結(jié)構(gòu)

圖5 聚光器反射鏡的幾何位置

本文設(shè)計(jì)的聚光器為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。反射鏡的排列按坐標(biāo)軸對(duì)稱，以第一象限為例，反射鏡的安裝角度與位置參數(shù)如表2所示。

表2 第一象限反射鏡參數(shù)

聚光比的計(jì)算公式[7]為：

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=cos2βi,j，為余弦效應(yīng)系數(shù)；SAi,j為反射鏡Mi,j的采光面積，m2；c=1，為假設(shè)為理想鏡面時(shí)的鏡面發(fā)射率；d=0.69，為直接輻射到總輻射效率。

將各參數(shù)帶入公式(1)，可得出聚光比i=13.58。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

將上述矩陣型c-PV/T系統(tǒng)安裝在雙軸跟蹤實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用天文坐標(biāo)粗跟蹤、光電精跟蹤的控制方案，跟蹤精度誤差e≤1.5°，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

單晶硅太陽電池的參數(shù)如表1所示。所使用的測(cè)試設(shè)備有PVPM1000C40，可實(shí)現(xiàn)輻射強(qiáng)度、太陽電池開路電壓、短路電流、MPPT電壓、MPPT電流等參數(shù)的檢測(cè)，測(cè)量精度為±1%；Agilent34901A數(shù)據(jù)采集儀可實(shí)現(xiàn)冷卻水進(jìn)、出口溫度檢測(cè)，配備K型熱電偶，檢測(cè)精度約為±0.2 ℃；FLUKE319型萬用表可實(shí)現(xiàn)電壓與電流的檢測(cè)，檢測(cè)精度高于0.01 A和0.1 V；流量計(jì)F采用常州雙環(huán)熱工儀表有限公司的LZB-3WBF型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，精度等級(jí)為4級(jí)，檢測(cè)冷卻水的流量；冷卻水利用水泵M實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)供給。

為了進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在跟蹤臺(tái)上另安裝1塊無冷卻裝置的參數(shù)相同的單晶硅太陽電池，并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 c-PV/T系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 c-PV/T系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

目前，關(guān)于c-PV/T系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的研究報(bào)道較少，如何有效、準(zhǔn)確地表達(dá)系統(tǒng)的效率成為近年來的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[21]提出用光電光熱總效率η0來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的綜合性能，其效率表達(dá)式為：

式中，ηe為c-PV/T系統(tǒng)的光電效率；ηt為c-PV/T系統(tǒng)的光熱效率；λ為太陽電池覆蓋率，可表示為λ=APV/AC，其中，APV為電池面積，m2，AC為接收器有效面積，m2。

太陽能綜合利用系統(tǒng)是熱和電的雙輸出系統(tǒng)，熱能和電能的能源品位不一樣，將太陽能光熱效率與光電效率直接相加來表征系統(tǒng)的效率顯然不合理。因此，本文引入了文獻(xiàn)[22]提出的光電光熱綜合效率作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

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

上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)考慮了熱能和電能能源品位不一致的情況，獲得系統(tǒng)的ηe和ηt就可以得到較為合理的評(píng)價(jià)。ηe和ηt的計(jì)算公式可表示為：

式中，Vm為最大功率點(diǎn)電壓，V；Im為最大功率點(diǎn)電流，A；A為聚光器的采光面積，m2；G為太陽輻照度，W/m2；m為冷卻水的質(zhì)量流率，kg/s；cp為冷卻水的熱容，J/(kg?k)；Tin、Tout分別為系統(tǒng)冷卻水的進(jìn)、出口溫度，K。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中，平均風(fēng)速為0.2 m/s，冷卻水質(zhì)量流率穩(wěn)定在0.015 kg/s，采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10:00～15:30，太陽輻射強(qiáng)度的變化如圖7所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，太陽平均輻射強(qiáng)度達(dá)到593 W/m2時(shí)，滿足實(shí)驗(yàn)條件。

圖7 太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

圖8 溫度隨時(shí)間的變化

非聚光太陽電池溫度、聚光太陽電池溫度和環(huán)境溫度的變化如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，非聚光太陽電池溫度比環(huán)境溫度高出約20 ℃，聚光太陽電池的溫度略高于非聚光太陽電池的溫度，溫度變化趨勢(shì)與太陽輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致。相比非聚光太陽電池，聚光太陽電池承受更強(qiáng)的太陽輻射能量，從而聚光太陽電池的溫度升高。而在實(shí)驗(yàn)過程中，聚光太陽電池與非聚光太陽電池的溫升并不很明顯，說明冷卻水能夠帶走大部分熱能。

c-PV/T系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度變化如圖9所示，進(jìn)、出口溫度差約為3 ℃。當(dāng)溫度升高時(shí)，進(jìn)、出口的溫差減小，這主要是由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管道等保溫效果較差，隨著系統(tǒng)溫度的上升，導(dǎo)致系統(tǒng)的熱損增加。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，冷卻水的溫度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖9 c-PV/T系統(tǒng)進(jìn)、出口溫度變化曲線

圖10為非聚光太陽電池和聚光太陽電池的輸出電功率隨時(shí)間變化的情況。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖10所知，聚光太陽電池輸出的電功率顯然高于非聚光太陽電池。聚光太陽電池輸出的最大電功率為65.1 W，非聚光太陽電池輸出的最大電功率為8.3 W。實(shí)驗(yàn)過程中，非聚光太陽電池與聚光太陽電池的輸出電功率曲線均從上午開始逐漸增大，在12:00出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，13:00達(dá)到頂峰，然后逐漸降低。太陽電池電功率輸出曲線的變化趨勢(shì)與圖7所示的太陽輻射強(qiáng)度在一天中的變化趨勢(shì)基本吻合，因此，太陽輻射強(qiáng)度對(duì)太陽電池性能的影響是非常明顯的。

圖10 輸出功率隨時(shí)間的變化

本文進(jìn)一步研究了c-PV/T系統(tǒng)的熱電綜合效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，聚光太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率略低于非聚光太陽電池，這主要是由于聚光過程中會(huì)產(chǎn)生光學(xué)損失，同時(shí)電池溫度的升高也降低了電池的轉(zhuǎn)換效率。但值得一提的是，在損失約1%的光電轉(zhuǎn)換效率時(shí)，獲得了近40%的光熱效率，使太陽能的熱電綜合效率達(dá)到了71%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，c-PV/T系統(tǒng)可大幅提高太陽能的綜合利用效率。

圖11 效率隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

本文提出了一種矩陣型聚光光伏光熱一體化系統(tǒng)，簡(jiǎn)要綜述了國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并研究了太陽輻射強(qiáng)度的變化對(duì)矩陣型c-PV/T系統(tǒng)綜合性能的影響。結(jié)果表明：聚光條件下，系統(tǒng)的綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于同期測(cè)試的非聚光太陽電池的性能，矩陣型c-PV/T系統(tǒng)的太陽能熱電綜合效率可達(dá)到71%。本文研究表明，利用聚光裝置可有效降低電池的成本，采用強(qiáng)制水冷技術(shù)，一方面可提高光電轉(zhuǎn)換效率，另一方面可進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，使太陽能綜合利用效率大幅提高。

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