基于光譜分頻技術的電熱多級利用裝置設計

張寶元　萬夢鈺　鐘繼康

摘 要：針對現(xiàn)階段鈣鈦礦薄膜太陽能電池工作譜段窄、太陽能利用率低等問題，本文提出了一種基于光譜分頻技術的電熱多級利用裝置的設計，采用透明鈣鈦礦電池作為窗口材料，將200～800nm波段能量直接轉換為電能；其余太陽能量透過鈣鈦礦層，經(jīng)復合曲面聚集后加熱集熱器，輸出熱能，實現(xiàn)太陽能全光譜綜合利用。該裝置不僅克服了鈣鈦礦薄膜電池工作譜段狹窄的問題，同時具有結構簡單、成本低廉、太陽能綜合利用率高等特點。

關鍵詞：鈣鈦礦；太陽能；光譜分頻；電熱利用

中圖分類號：TU722 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0051-02

近年來，鈣鈦礦電池研究受到了廣泛關注，具有極大的商業(yè)應用前景。但是從其太陽能量利用分析不難發(fā)現(xiàn)，該電池只能轉換200nm至800nm波長范圍內(nèi)約占58%的太陽能量，而其余42%的太陽能量不能被有效利用，浪費嚴重?；谝陨蠁栴}，本文介紹了一種基于透明鈣鈦礦電池的太陽能電熱分頻利用新技術：將200nm至800nm波長范圍的太陽能量直接轉換為電能，其余太陽能量轉換為熱能，從而實現(xiàn)了太陽能電熱分頻全光譜綜合利用。

1 結構設計與性能分析

1.1 整體結構設計

本作品從結構上可分為光電模塊、光熱模塊與追蹤模塊。光電模塊主要工作部分為“印刷”鈣鈦礦薄膜電池。當太陽光入射時，電池吸收太陽光線中波長300nm至800nm部分的能量，進行發(fā)電；波長大于800nm的光線穿過電池，進入下方光熱模塊。光熱模塊主要包括復合聚光曲面與集熱換熱系統(tǒng)，進入本模塊的光譜能量被復合聚光曲面聚集后，加熱真空集熱管，再由緊貼真空集熱管腔內(nèi)的熱管將能量導出，加熱水箱循環(huán)系統(tǒng)。追蹤模塊分為俯仰追蹤與方位追蹤兩部分，分別由曲柄搖桿機構與止推軸承變形機構驅動。

1.2 光譜分頻與光電部分

本作品將鈣鈦礦薄膜電池印刷在透明導電基底上，當作光學光譜分頻器使用。其中鈣鈦礦薄膜電池作為吸收層，將吸收、轉化入射光線中300nm至800nm波段的光譜能量，輸出電能；大于800nm的光譜能量穿過鈣鈦礦吸收層，進入下方裝置。

1.3 聚熱與換熱部分

1.3.1 復合聚光曲面

為使聚光曲面獲得更大的光線接收角，本方案采用利用基圓漸開線代替原有拋物曲線尾部的設計。通過漸開線方程與拋物線方程計算后得知：保證聚光曲面的聚光效果，需要曲面對波長在800nm以上的光線有較高的反射率。本作品在復合聚光曲面內(nèi)表層電鍍高反射材料，確保該曲面的反射率能達到設計需求。

1.3.2 相變換熱系統(tǒng)

相變換熱系統(tǒng)由集熱管部分與水循環(huán)部分組成。真空集熱管由真空管、導熱翅片和熱管三部分構成。復合聚光曲面將入射光線反射，均勻加熱真空集熱管，再通過導熱翅片將熱量傳至熱管的冷端，熱管內(nèi)導熱工質完成“液—氣”相變循環(huán)，將熱能從熱管的熱端導出，加熱循環(huán)水箱；循環(huán)水箱與儲水箱構成水循環(huán)系統(tǒng)，通過不定時的循環(huán)作用達到加熱儲水箱的目的。

2 光線追蹤與控制系統(tǒng)

2.1 俯仰追蹤驅動系統(tǒng)

由于本作品采用地平式追蹤系統(tǒng)，因此需要控制俯仰與周向兩個方向的自由度。圖1為俯仰追蹤控制方案的曲柄滑塊轉動機構計算簡圖：步進電機控制絲杠轉動，促使連桿滑塊A端做變速度直線運動，從而保證連桿B（CPC支撐架）端對太陽俯仰變化的精確擬合，使太陽光線始終處于最佳入射角。改設計方案與傳統(tǒng)方案的區(qū)別是：真空集熱管與CPC支撐架旋轉軸保持共線，且在支撐架做俯仰運動的過程中保持固定[1]。此方案可有效解決集熱水箱與熱管的連接問題，防止因疲勞使用而造成的連接不緊密、漏水失熱等現(xiàn)象。

2.2 控制原理

考慮到云霧遮擋、陰雨弱光環(huán)境造成的日照不連續(xù)現(xiàn)象，本作品的光線追蹤系統(tǒng)分為主動追蹤與被動跟蹤兩種控制方式。

被動追蹤以矩形四象限硅光電池作為控制核心，在日照良好的條件下，根據(jù)四象限硅光電池受到的光照強度不同，產(chǎn)生不同電勢差以此確定算法，根據(jù)算法即可確定太陽的準確位置，從而操控追蹤器朝向太陽。主動追蹤以天文學算法為核心，初次使用時，設定地理位置信息之后，只需定期讀取時鐘芯片作為參考，經(jīng)算法計算后得出太陽理論位置，將追蹤器轉向該理論位置。當達到理論日落時間后，追蹤器自動歸位，待次日理論日出時間達到時繼續(xù)工作。

3 性能測試與結果分析

3.1 鈣鈦礦薄膜電池性能測試

3.1.1 鈣鈦礦薄膜電池的工作頻段

本作品利用鈣鈦礦薄膜電池的工作特性進行太陽能光譜分頻，因此需要精確測定鈣鈦礦薄膜電池的工作譜段與透光性能。在測試試驗中，采用光譜法測量鈣鈦礦薄膜電池樣品在波長300nm至3000nm波段內(nèi)的透射率。設置掃描間隔為2nm，光線垂直入射。試驗結果表明：在800nm至1300nm波段，該樣品鈣鈦礦薄膜電池的平均透光率可達33.4%。

3.1.2 鈣鈦礦薄膜電池的光電與光熱性能

普通晶硅類光伏電池工作時，光譜中的熱輻射造成電池嚴重的熱負荷[2]；而本作品中，光譜中的熱輻射能將透過電池，向下傳遞，改善了電池板的發(fā)熱情況。

通過對比鈣鈦礦薄膜電池與單晶硅電池在相同輻照條件下的發(fā)電功率，可以得到這樣的結論：相同輻照條件下，鈣鈦礦薄膜電池的光電轉化效率略優(yōu)于普通民用單晶硅光電池板。

3.2 熱循環(huán)系統(tǒng)

在測試熱循環(huán)系統(tǒng)的過程中，首先測試了真空集熱管的效率。其能量吸收效率由國家太陽能熱水器產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心進行相應測試。之后，在保溫良好的情況下通過熱力學仿真分析，計算出作品總的熱效率為33.4%。實驗驗證結果與理論計算符合。

3.3 光線追蹤

研究表明：同等光強下，當光線垂直入射時，鈣鈦礦薄膜電池擁有最高的光電轉化效率；因此設計光線追蹤系統(tǒng)，保持光線對電池板與聚光曲面的最佳入射角，可有效的提升太陽能綜合利用效率[3]。設計交叉對比實驗：實驗變量分別為追蹤式與固定式、鈣鈦礦電池與單晶硅電池。實驗數(shù)據(jù)表明，追蹤式對光電池光電轉化率的提升可達31.6%。

4 裝置綜合性能計算

基于以上性能測試結果，可得出作品裝置總的效率理論計算公式。其中：全光譜能量中52%可被鈣鈦礦電池用來發(fā)電，其相對轉化率為32.27%，即光電效益為16.78%；剩下全光譜能量中48%用來制熱，系統(tǒng)相對轉化率為33.4%，即光熱效益為15.364%，得出裝置綜合利用率為32.14%。

參考文獻

[1]R. T. Dobson， D.G. Krger. Effect of evaporator surface on the maximum heat transfer rate of an inclined two-phase closed thermosyphon [C].Proceedings of 11th International heat pipe conference. Tokyo.1999：109-114.

[2]陳則韶，莫松平，胡芃，江守利，王剛.幾種太陽能光伏發(fā)電方案的熱力分析與比較[J].工程熱物理學報，2009，30（05）：725-728.

[3]趙利勇，胡明輔，楊貞妮.太陽能利用技術與發(fā)展[J].能源與環(huán)境，2007（04）：55-57.