矩阵型聚光光伏光热一体化系统设计与分析

无锡科技职业学院 ■ 朱芳

江苏省太阳能技术高校重点实验室(东南大学) ■ 杜斌 蒋川

南京帕偌特太阳能有限公司 ■ 王金平

0 引言

我国太阳能光伏产业在经历了欧美“双反”后逐渐恢复正常发展状态，此次遭受欧美“双反”影响的一个重要因素是我国的光伏产业近90%市场份额在国外，自身产业的发展受到国外的动态牵制。国内光伏市场份额小，归其因主要是由于光伏发电系统成本昂贵。近年来，随着科技的发展和新研究成果的不断涌现，如新材料、新工艺等，光伏成本不断降低，但仍无法与传统的火电相媲美。

聚光光伏系统是利用价廉的聚光镜部分代替高昂的电池，从而降低光伏发电系统成本。商业化的光伏电池的光电转换效率一般为5%～20%，换言之，近80%的太阳能未得到合理利用，转化为热能，导致电池的温度升高，电池温度每升高1 ℃，效率约下降0.5%。在聚光条件下，电池表面的太阳辐射强度是非聚光条件下的数倍、数十倍，甚至数百倍，电池温度急剧上升，所以，聚光光伏系统中，电池的冷却装置至关重要[1]。

自上世纪70年代，光伏光热一体化的出现，降低电池温度的同时，也有效提高了太阳能的综合利用率。所谓的光伏光热一体化(PV/T)系统是一种集太阳能光伏发电与热利用为一体的太阳能集热器。太阳照射在集热器的表面产生电能，热能从电池的冷却系统中获得[2]。

聚光光伏光热一体化系统(c-PV/T)是集PV/T与聚光装置为一体的系统，聚光装置可提高电池表面的太阳辐射强度，增加PV/T输出电功率和热功率[3，4]。

按聚光方式，聚光太阳能技术一般可分为塔式、槽式和蝶式。塔式聚光技术一般用于高温太阳能热利用领域；槽式聚光技术一般用于中温；蝶式一般与斯特林发电机联合，构成分布式发电系统[5]。无论是哪种形式的聚光太阳能技术，目前的成本仍都很高，阻碍了市场的大规模应用。本文提出一种矩阵型c-PV/T系统，设计制作矩阵式聚光器和PV/T系统，并进行光学分析和仿真模拟。同时，研究系统的光电效率、光热效率和综合效率的评价方法。

1 系统理论设计

1.1 PV/T系统设计与制作

矩阵型c-PV/T系统是由矩阵型聚光器和PV/T构成，PV/T由光伏电池和冷却系统构成，系统结构如图1所示。

图1 PV/T系统结构设计图

利用层压工艺将光伏电池与冷却铝板封装在一起，将热管的蒸发段安装在铝板背面，热管冷凝段安装在冷却水管中，利用热管的高性能传热特性，对光伏电池进行冷却，同时获得热水。利用热管进行冷却，一方面冷却效果好；另一方面，可有效解决水冷式光伏光热一体化的防冻、防腐等问题[6]。本文将热管蒸发段改造成扁平状，有利于增大换热面积，提高传热效率，用导热硅胶将扁平的蒸发段粘在电池的背面，热管的冷凝段安装在集箱中，集箱内部通冷却水，将电池背板热量带走，并同时加热冷却水。冷却系统由5个φ10 mm的热管和1个φ40 mm的集箱构成，热管间间距为50 mm，具体参数见表1。为了减少热损，在电池背面覆盖一层厚度为20 mm的保温海绵。设计制作的PV/T系统如图2所示。

表1 实验PV/T参数

图2 PV/T系统实验样品制作

1.2 矩阵聚光器设计

矩阵型聚光器利用平面镜光学反射原理，将入射太阳光反射到太阳电池板上，一方面可增加单位面积辐射量，提高光伏电池的输出功率；另一方面可提高冷却水的温度，进而提高冷却水的使用价值。矩阵型聚光器是将平面镜按矩阵的形式排列(见图3)，M0，0为电池位置，电池安装高度h=1400 mm，如图4所示。该方案类似于碟式聚光器，但又有所区别。碟式聚光器由旋转抛物面构成，制造工艺较为复杂，成本高；本方案是由一系列平面镜组合安装构成，具有制造工艺简单、成本低、跟踪精度要求低等优点。

图3 矩阵聚光器平面结构

图4 聚光器反射镜的几何位置

本文设计聚光器为5×5矩阵结构，共由24面反射镜构成(中心位置为PV/T接收器)，镜面之间的距离p=40 mm，每块反射镜有效反射面积为300 mm×300 mm，厚度为3.5 mm。如图4所示，反射镜的排列按坐标轴对称，所以本文仅计算出第一象限内反射镜的参数与安装角度，见表2。

表2 第一象限反射镜参数

聚光比的计算式为[7]：

式中，i为聚光比；SA为聚光器的采光面积，m2；Sc为电池面积，m2；bi，j为余弦效应系数，bi，j=cos2βi，j；SAi，j=Si，jcosβi，j为反射镜Mi，j的采光面积，m2；其中，βi，j为太阳入射光线角度，( °)；Si，j为反射镜Mi，j的镜面面积；d为直接辐射到总辐射效率，d=0.69；c为镜面发射率(假设为理想镜面)，c=1。

将参数带入式(1)可得i=13.58。

图4中，O0为集热器的中心位置；O为矩阵型聚光器的中心位置，对应于图3a的坐标轴中心位置，Oi，j对应为聚光镜Mi，j的中心；βi，j为太阳入射光线角度；αi，j为集热器的中心位置O0与聚光镜Mi，j的中心Oi，j的夹角。由图 4 中所示的几何关系，可计算出聚光镜Mi，j的安装位置与角度。

2 光学分析

在SolidWorks三维设计软件中绘制出矩阵型聚光器的三维实体模型，如图3b所示，将三维实体模型导入光学软件TracePro中进行光学分析。这里为简化仿真过程，假设玻璃镜面为理想镜面，PV/T集热器为理想集热器[8]。

仿真光源采用格点光源，太阳辐射强度为880 W/m2，利用Monte Carelo法追迹所有进入系统的光强，计算光伏电池的吸收、出射的光线数量，得到电池表面的能流密度分布。当光线垂直射入矩阵型聚光器后，光强分布较均匀，如图5所示，范围主要集中在[-130， 130]之间，聚光后平均光照强度达到12756 W/m2，光学效率为68.7%。

图5 聚光后光伏电池不同部位的光强分布图

由图5可知，聚光后，电池表面能流密度分布较为均匀，仅在电池四周边缘地方出现光强较低，最小值仅为5016.3 W/m2。为进一步研究矩阵聚光器的聚光特性，下文对第一象限的每个反射镜面逐一进行仿真分析。

不同反射镜的光学分析结果如图6所示。由图 6 可知，M0，1的平均值为 837.89 W/m2，明显优于M0，2的平均值 785.8 W/m2，这是由于M0，1的反射角小于M0，2；M1，1的平均值为 812.69 W/m2，明显优于M1，2的平均值666.36 W/m2。值得提出的是，M1，2和M2，1具有对称性，仿真过程中，出现PV/T集热器部分没有光强，这可能是由于在SolidWorks三维设计软件中搭建模型时，M1，2和M2，1安装位置出现偏差，这也正好验证了图5中边缘出现较低的聚光强度。光学仿真结果表明，矩阵聚光器设计合理并且可行。

图6 不同反射镜的光学分析

3 c-PV/T系统评价方法

为了进一步系统化研究c-PV/T系统，需提出能准确反映c-PV/T系统性能的评价体系。目前关于c-PV/T系统综合评价标准的文献较少，本文采用参考文献[9，10]提出的使用光电光热总效率η0评价系统综合性能的方法来综合评价c-PV/T系统。

式中，ηe为c-PV/T系统的电效率；ηt为c-PV/T系统的热效率；λ为光伏电池覆盖率，λ=APV/AC；APV为电池面积，m2；AC为集热板有效面积，m2。

为进一步描述系统的综合性能，本文还引入了文献[11]提出的光电光热综合效率作为系统的评价指标。

式中，ηpower为常规火电厂的发电效率，一般取 ηpower=0.38。

依据以上评价标准，只要计算出ηe和ηt就可对系统综合性能作出较为合理的评价。

式中，A为采光面积，m2；G为太阳辐照度，W/m2。

式中，m为冷却水的质量流率，kg/s；cp为冷却水的热熔，J/(kg·K)；Tin、Tout分别为冷却水的进、出口温度，K。

4 结论

提出一种矩阵型聚光光伏光热一体化系统，基于电池板的传热特性和热管技术，采用5个φ10 mm的热管、1个φ40 mm的集箱和光伏电池构成PV/T集热器，利用热管高效的传热特性，将聚光产生的热能快速、有效地传递出来。基于平面镜反射原理，设计了矩阵型聚光器，聚光比i=13.58。为验证矩阵型聚光器的正确性，在SolidWorks三维设计软件中绘制出矩阵型聚光器的三维实体模型，将三维实体模型导入光学软件TracePro中进行光学分析。分别对单个反射镜进行了光学仿真，也对所有反射镜同时聚光进行了光学仿真，假设反射镜为理想镜面时，其光学效率高达68.7%，仿真结果表明，设计的矩阵型聚光器是合理可行的。最后基于PV/T系统的研究，提出了c-PV/T系统的光电光热总效率和光电光热综合效率，综合评价c-PV/T系统的系统性能，为下一步的实验研究奠定了理论基础。

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