槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能分析

郭帅军，刘雪东，姜洪峰，常泽辉，3

(1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；3.内蒙古工业大学太阳能应用技术工程中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

太阳能以其清洁无污染、储量巨大、分布广泛等特点被认为是最有应用前景的可再生能源之一，并在21世纪的节能降耗中发挥重要的作用[1].太阳能的利用包括太阳能光热、光电、光化学、光生物等方式.目前，太阳能资源最有效的利用方式是太阳能光热利用和光伏发电[2-3].但是太阳能自身具有能流密度低，光照时间不连续等缺陷又限制了其规模化利用.为此，研究学者设计发明了太阳能聚光器，如复合多曲面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)、碟式聚光器、线性菲涅耳聚光器和抛物面槽式聚光器等，在增加接收体表面能流密度同时达到提高太阳能利用效率的目的[4].其中，CPC因其接收半角大、可接收直射光和部分散射光、对跟踪精度要求低等优点受到国内外学者的持续关注[5].

复合多曲面聚光器是由美国科学家Winston等根据边缘光学原理设计的一种可将入射偏角小于聚光器接收半角的太阳光线汇聚到接收体上的非成像聚光器[6].之后，研究人员通过理论分析、光学仿真、试验测试等方法分别对CPC结构、接收体及其应用进行了优化与研究.Ustaoglu等[7]通过理论分析与试验测试研究了截短聚光器高度对其光热效率的影响，结果表明，当聚光器截短50%后，光学效率没有明显变化，热效率为47.4%，仅比全尺寸聚光器热效率减少1%.吕伟中等[8]通过在圆筒式CPC加装透明折射棱镜上盖和一系列优化措施研制出一种新的圆筒式非跟踪聚光器，通过光学仿真与试验测试得出：该新型CPC的入射半角最大可至75°，且入射偏角超过接收半角后，仍可实现较好的非跟踪聚光效果.王哲等[9]提出一种新型的非跟踪非对称复合平面型反射聚光器，利用光学仿真软件分析了光学效率及接收体上的能流分布.结果表明，几何聚光比相同的聚光器在入射角大于设计角时具有相同的光学效率，达到85%以上，接收体表面能流密度分布均匀，且减小平面镜数量有利于获得更均匀的能流密度分布.

朱婷婷等[10]研究了一种接收体是由平板微型热管嵌入到真空玻璃管中构成的新型CPC集热器，并对其热性能进行了理论和试验研究，结果表明，在循环换热介质体积流速为320 m3/h、辐射强度为799 W/m2、环境温度为28.8 ℃时，该聚光集热器的平均效率约为61%.常泽辉等[11]通过理论分析和试验测试的方法研究了槽式CPC单层玻璃管中分别内嵌平板与等边三角形接收体对聚光器性能的影响，结果表明，晴天光线正入射、平板接收体与入射光线平行布置时，聚光器平均集热效率为55.49%，比接收体垂直入射光线布置时的平均集热效率增加了32.32%.当聚光器单层玻璃管内嵌等边三角形的接收体、空气流速为3.03 m/s时，聚光器集热效率为70.76%.表明CPC可尝试使用单层玻璃管代替玻璃真空管以降低其成本及运维费用.此外，CPC在太阳能集热领域得到了很好的应用，裴刚等[12]介绍了一种用于太阳能热水器系统的CPC，通过试验测试对其光热性能进行研究，结果表明，该聚光器在冬季将水加热到95 ℃时，热效率可达49.0%以上.Xuan等[13]提出了一种可与建筑南墙耦合的新型非对称CPC，通过研究发现该CPC实验测试结果与光学仿真结果一致，当入射角在0～60°范围内时，聚光器的光学效率可保持在90%左右.

此外，不少学者为了利用聚光光伏产生的废热，致力于太阳能聚光光伏光热(CPV/T)技术的研究，将太阳能光伏光热技术与CPC聚光技术进行结合[14-15]，利用循环换热介质对聚光光伏组件进行降温以提高其光电转换效率.为此有必要对太阳能全光谱利用开展研究.研发可有效提高全光谱太阳光转换率的光热转换材料[16-17]和耦合不同太阳能利用装置的系统是实现太阳能全光谱利用的有效方法[18].Zhou等[19]提出了一种由光伏-热电/集热(PV-TE/T)耦合构成的新型全光谱太阳能利用系统，为了证明PV-TE/T系统具有更好的性能，在相同环境条件下进行了PV系统、串联PV-TE系统与PV-TE/T系统的性能对比实验.结果表明，晴天与多云天PV-TE/T系统的输出功率比串联PV-TE系统分别提高了11.2%和35.6%.Wang等[20]提出了一种可实现太阳能全光谱利用的冷、热、电联合供能系统.通过建立了各部件的热力学模型，对系统在设计工况下的热力学性能进行了模拟分析，结果表明，太阳能利用率达到45.07%.

为了进一步提高太阳能利用效率，本文提出一种新型槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置，通过在入光口玻璃盖板下增设多晶硅太阳能电池，用于拦截吸收未被CPC接收体接收的光线，将逸出光线转化为电能加以再利用，实现CPC内入射光线光热和光电的高效耦合供能，提高装置输出能源的品位和总量，提升装置综合利用效率.通过SolidWorks建立槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置三维模型，并将其导入光学仿真软件TracePro中，对其内部传输光线进行追迹，分析计算接收体表面能流密度的变化规律，在此基础上，搭建槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能测试实验台，研究太阳辐照度对其进出口温差、输出电功率等的影响.

1 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置及光学仿真

1.1 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置

槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置结构如图1所示，在装置入光口AC处覆盖玻璃盖板1，在玻璃盖板下增设两块双面多晶硅太阳能电池3，当光线正入射时，入射到装置反射面CD边缘点的光线b和c经反射后被玻璃管4内接收体5接收，则其他入射光线均汇聚到接收体5上，入射到装置底部反射面的光线a经反射后也被接收体5接收.利用Solidworks建立装置三维模型如图1所示，本文研究所采用的槽式复合多曲面聚光器为文献[21]中所设计的.

1.玻璃盖板 2.槽式复合多曲面聚光器 3.双面太阳能电池 4.玻璃管 5.接收体 图1 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置结构图

1.2 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置光学参数

槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置的聚光性能受光线入射偏角、接收体形状、太阳能电池尺寸与安装位置、聚光器反射率等因素影响.利用光学仿真软件可以直观地得到装置内光线传播情况，计算分析接收体表面能流密度分布规律.利用SolidWorks软件建立槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置三维模型，然后将该模型导入到光学仿真软件TracePro中，设置光源为200×500等距平行格点光源，辐射能量为700 W/m2，装置参数如表1所示.

表1 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置建模参数

1.3 装置光线追迹与仿真

槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置内光线追迹与接收体能流密度分布如图2所示.图2(a)为入射偏角α=0°(正入射)时，聚光器内的光线追迹与接收体表面能流密度分布情况，从图中可以看出，进入聚光器内的光线均被玻璃管中接收体接收.此时接收体表面总光通量最大.圆柱形接收体表面能流密度呈对称分布，沿中心线能流密度最高，并从最高处向两端急剧减小.图2(b)为入射偏角α=4°时聚光器内的光线追迹与接收体表面能流密度分布情况，进入聚光器内的多数光线被玻璃管内接收体接收，逸出光线被太阳能电池接收，接收体表面总光通量比正入射时小.此外，接收体能流密度分布不均匀，接收体左侧能流密度最高，从左到右呈降低趋势，靠近右侧处略有升高，可以由光线追迹加以解释：有小部分入射光线经聚光器多次反射后被接收体右侧接收.图2(c)为入射偏角α=8°时聚光器内的光线追迹与接收体表面能流密度分布情况，进入聚光器内的光线被玻璃管内接收体和太阳能电池接收，通过聚光器入光口逸出的光线极其少，接收体表面总光通量进一步减小.图2(d)为α=12°时聚光器内的光线追迹与接收体表面能流密度分布情况，被太阳能电池接收的逸出光线增多，经聚光器入光口逸出的光线略有增加.此时接收体表面总光通量进一步减小，这是由于被太阳能电池接收的入射光线和经聚光器反射逸出的入射光线增加共同导致的结果.值得注意的是，接收体表面能流密度分布为中间略低，左右两侧较高，相比上述几种情况，此时玻璃管内接收体表面能流密度分布较均匀.

图2 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置不同入射偏角的光线追迹与接收体能流密度

2 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能测试

基于槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置光学分析结果，在内蒙古工业大学太阳能光热产业示范基地(N40°50′，E111°42′)搭建槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能测试实验台，在实际天气条件下，研究太阳辐照度对装置进出口温差、输出电功率等的影响，为槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置在实际工农业应用提供测试数据和实验参考.

2.1 试验测试系统

槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能测试系统如图3所示.试验中，测试数据包括太阳辐照度、环境温度、太阳能电池输出功率、换热空气进出口温度、换热空气流速等.其中，太阳辐照度、太阳能电池输出功率由太阳能发电监测站系统(TRM-FD1，锦州阳光气象科技有限公司，锦州)实时采集，测试系统用负载为滑线变阻器.各测点温度由K型热电偶测量(测试精度为±0.5 ℃)，实时数据通过多通道温度巡检仪(Sin-R6000C，杭州联测自动化技术有限公司，杭州)记录.在聚光器腔内沿玻璃盖板法线方向等距布置两个K型热电偶，在玻璃管内布置热线式风速计(TES-1340，泰仕电子工业有限公司，台湾)，空气循环由耐高温离心风机(DZ160，广州市鑫风风机有限公司，广州)驱动，其中，换热空气出口温度为位于玻璃管出口处沿径向等距布置的多个K型热电偶测量平均值.

1.辐照度计；2.热空气出口；3.玻璃盖板；4.测试台架；5.槽式复合多曲面聚光器；6.接收体；7.太阳能电池板；8.可调支架；9.冷空气入口；10.风机；11.热线风速仪；12.温度巡检仪；13.环境测温点；14.热电偶；15.滑线变阻器；16.导线；17.万用表图3 槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能测试系统图

测试前，对所使用的多晶硅太阳能电池、滑线变阻器、K型热电偶及其他测试仪器进行校核，选择晴好天气进行测试，换热空气流速约为2.89 m/s.测试中，为了更好地评价装置的性能，本文引入了太阳能综合利用效率，其计算如公式(1)所示：

(1)

公式中：Qt为接收体集热量，W；P为太阳能电池发电功率，W；Isun为聚光器入光口处太阳辐照度，W/m2；A为聚光器入光口面积，m2；m为接收体内换热空气质量流量，kg/s；cp为对应运行温度下空气比热容，J/kg·K；tin、tout为接收体进出口空气温度值，K；U为太阳能电池输出电压，V；I为太阳能电池工作电流，A.

2.2 结果与分析

测试在晴好天气开展，测试时间选择11：00—13：00，槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置东西放置，安装倾角调整为43°，保证入射太阳光正午时分为正入射，其中，在装置内增设的上部太阳能电池由两块板背贴合在一起的多晶硅太阳能电池组成，远离装置对称轴的太阳能电池标定为1号，接近装置对称轴的太阳能电池标定为2号，分别测试装置玻璃管进出口温度、两块太阳能电池发电功率和环境温度.测试日太阳辐照度和环境温度如图4所示，装置内玻璃管进出口温差变化如图5所示.

图4 太阳辐照度、环境温度变化图5 装置进出口温差随测试时间变化

从图5可以看出，随着测试时间延长，装置内玻璃管进出口温差呈先增加后减小的趋势，与太阳辐照度变化趋势一致.在12：10左右，进出口温差达到最大值为14.1 ℃，之后随着太阳辐照度值的减小，以及太阳光入射偏角的增大而减小.在其测试期间，进入装置的未被玻璃管内接收体接收的太阳光会被多晶硅太阳能电池接收，对外输出电能，装置内1号和2号多晶硅太阳能电池输出电功率随测试时间变化曲线如图6所示.

图6 太阳能电池发电功率随测试时间变化

从图6中可以看出，1号太阳能电池发电功率小于2号太阳能电池发电功率，这与光学仿真结果是一致的，且二者在11：00—11：45期间发电功率大于12：00—13：00期间发电功率，2号太阳能电池在11：45发电功率达到最大，为1.18 W，比1号太阳能电池高0.48 W.主要是由于太阳光非正入射时，未被接收体接收的太阳光线会被太阳能电池接收，造成太阳能电池发电功率变大，当太阳光正入射时，太阳能电池接收的光线减少，则太阳能电池发电功率减小.也就说明槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置可以有效将逸出光线转化为电能，提高了装置非追日状态下总的输出能量，其综合利用效率最大为75.4%，平均综合利用效率为66.54%.

4 结 论

为了提高非追日状态下，槽式复合多曲面聚光器的总输出能量和综合利用效率，本文提出一种槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置.利用光学仿真软件TracePro对不同入射偏角条件下装置内光线进行追迹，计算分析了接收体表面能流密度变化趋势.在仿真分析的基础上，搭建槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置性能测试实验台.在实际天气条件下对装置进出口温差、太阳能电池发电功率等随太阳辐照度的变化规律进行研究.得到以下结论：

(1)光学仿真结果显示，在聚光器玻璃盖板内侧增设硅基太阳能电池可有效减少经聚光器反射而逸出的光线，当入射偏角为12°时，仅有少量光线通过入光口逸出.

(2)在晴好天气，循环空气流速为2.89 m/s时，槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置进出口温差变化趋势与太阳辐照度一致，进出口温差最高为14.1 ℃.

(3)槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置内多晶硅太阳能电池在太阳光线非正入射时的发电功率大于正入射时发电功率，装置综合利用效率最大为75.4%.