基于復(fù)合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案

張信韜

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

基于復(fù)合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案

張信韜

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

為了提高太陽能的利用率，同時將電力和熱能的產(chǎn)出與家庭的實際需求相匹配，提出一種基于復(fù)合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案。采用復(fù)合曲面設(shè)計，實現(xiàn)聚光區(qū)的上、下平行雙面聚光［2］。在此基礎(chǔ)上，提出了太陽能電池板-扁盒式集熱器-平板型太陽能集熱器一體化（PV/T）系統(tǒng)的利用方案［1］，實現(xiàn)：太陽能電池板處于聚光器的上表面聚光區(qū)，生產(chǎn)電能；平板型太陽能集熱器處于聚光器的下表面，生產(chǎn)熱水；在太陽能電池板和平板型太陽能集熱器之間采用扁平集熱器，可對電池板降溫實現(xiàn)對熱能的梯度利用。研究結(jié)果表明，其太陽能光學(xué)效率達99.04%，其中電部分太陽能光學(xué)效率為85.20%，直接產(chǎn)熱太陽能光學(xué)效率為13.84%，對應(yīng)的光伏發(fā)電效率為12.78%，直接光熱效率為12.14%，間接光熱效率為43.45%，太陽能的能量利用率高，其高效的產(chǎn)電能力和出色的產(chǎn)熱能力適宜普通家庭的實際需求。

復(fù)合曲面 太陽能 光伏光熱

目前晶硅電池轉(zhuǎn)換效率約為10%～17%，而83%以上的太陽能未能被有效利用，其中相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使光伏電池溫度升高，導(dǎo)致光伏電池效率下降。為了使光伏電池效率保持在較高水平，有人提出用水或空氣作為載熱介質(zhì)的電熱聯(lián)用一體化的理念［4］，這種同時提供電、熱能的系統(tǒng)即為光伏/光熱系統(tǒng)（PV/T）。

聚光型PV/T系統(tǒng)光電功率高且流體熱流密度較高一直是國內(nèi)外研究得重點，但目前無論是聚光型光伏/光熱系統(tǒng)還是普通光伏/光熱系統(tǒng)，一方面其系統(tǒng)的熱利用效率在針對家庭的實際使用還有改進空間，另一方面其對電池板的降溫與熱能的轉(zhuǎn)化利用的銜接還有需要優(yōu)化的地方；本文提出的基于復(fù)合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案針對上述問題做了一定研究，以期為太陽能的高效利用、家庭化利用提供參考。

1　光伏光熱一體化利用裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

在復(fù)合曲面的上半部分，入射的太陽光線一部分被匯集到上平面聚光區(qū)，被裝在此處的電池板利用。另一部分太陽光線直射或被復(fù)合曲面的上半部分一次反射到下方的漸開線面。然后被漸開線面匯集到下平面聚光區(qū)，被裝在此處的平板型太陽能集熱器利用。

我們在上述新型聚光器結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)上，在電池板的下方和平板式太陽能集熱器的上方安裝PV/T模塊。如圖一所示，我們將光伏電池組件均勻布滿全鋁扁盒式集熱板表面，使用導(dǎo)熱硅膠均勻涂布在電池板和集熱板之間。將自然水通入集熱管道內(nèi)，與電池板進行熱交換，降低電池溫度，提高發(fā)電效率，構(gòu)建扁盒式集熱器。

這種集熱板由若干條全鋁集熱型條榫接而成。每個集熱型條中有3個液體流道，流體與吸熱表面的接觸面積大，傳熱效果好，還可自由拼湊。導(dǎo)熱硅膠片可以很好的填充接觸面的間隙，將空氣（熱的不良導(dǎo)體）擠出接觸面，使電池板面和集熱板更好的充分接觸。

熱利用部分的水箱分低溫水箱和高溫水箱，低溫水箱與扁平集熱器相連，利用高度差實現(xiàn)主動閉循環(huán)，保證扁平集熱器對太陽能電池板降溫的穩(wěn)定性，高溫水箱與平板型太陽能集熱器相連，同時，高溫水箱提供生活用水，低溫水箱及時為高溫水箱補水，低溫水箱與供水管相連。構(gòu)成：生活冷水-低溫水箱-扁盒式集熱器-低溫水箱-高溫水箱-平板型太陽能集熱器-高溫水箱-生活熱水的循環(huán)系統(tǒng)。

2　性能驗證和測試

2.1基于復(fù)合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案的仿真驗證

利用SolidWorks的方程曲線控制設(shè)計出了我們的光伏光熱一體化利用方案的三維模型，將該模型導(dǎo)入Tracepro進行光學(xué)性質(zhì)驗證［3］，我們驗證光線以中間接收角射入時的光學(xué)效果。分析結(jié)果得知，當(dāng)我們?nèi)肷涔饩€總輻射光通量值為10000W時，上板接收輻照的光通量值為6722.5W，下板接收的輻照光通量值為2669.2W。

2.2性能測試與效率計算

太陽能光學(xué)效率η1：

電部分太陽能光學(xué)效率η2：

直接產(chǎn)熱太陽能光學(xué)效率η3：

通過測試，在扁盒集熱器的降溫效果下，多晶硅太陽能電池板的發(fā)電效率穩(wěn)定在15%，則系統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電效率η4：

由于平板型太陽能集熱器的水來自于扁盒集熱器的連接水箱，水溫較恒定，產(chǎn)熱效率能穩(wěn)定在95%，則系統(tǒng)的太陽能直接光熱效率η5：

通過測試，扁盒式集熱器對電池板降溫效果較好，對于多晶硅太陽能電池板不能利用的85%的廢熱，其熱能轉(zhuǎn)化率達到65%，則系統(tǒng)的太陽能間接光熱效率η6：

即太陽能的綜合熱利用效率η7：

3　結(jié)語

（1）本文闡述了基于復(fù)合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案的結(jié)構(gòu)及工作原理，其太陽能電池板-扁盒式集熱器-平板型太陽能集熱器一體化（PV/T）系統(tǒng)，對太陽光能進行分層利用，結(jié)構(gòu)緊湊，適合普通家庭的實際需求。熱利用的循環(huán)水系統(tǒng)。將對對電池板的降溫與熱能的轉(zhuǎn)化利用的銜接采用能量梯度利用的方案，保證電池板的有效降溫的同時，熱利用效率提高明顯。（2）本文進行了性能驗證和測試相關(guān)闡述，光伏發(fā)電效率在聚光器的使用下，能始終穩(wěn)定在10.08%，產(chǎn)電能力高效。光熱綜合效率高達62.5%，相較傳統(tǒng)的PV /T系統(tǒng)，光熱利用更能適合普通家庭的實際需求，便于光伏光熱一體化利用系統(tǒng)的推廣。

［1］陳洪亮，鄭振宏，吳文.FPV-CPC集熱器光學(xué)性能［J］.太陽能學(xué)報，1987，02：129-135.

［2］汪樂，張樹生，翟靜.基于復(fù)合式拋物面聚光器的LED反光杯建模研究［J］.激光與光電子學(xué)進展，2012，v.49；No.56110：159-164.

［3］吳義超.基于TracePro與SpecWinLight的OLED照明器件設(shè)計及測試系統(tǒng)開發(fā)［D］.電子科技大學(xué)，2014.

［4］劉靈芝，李戩洪.復(fù)合拋物面聚光器（CPC）光學(xué)分析研究［J］.能源技術(shù)，2006，02：52-56+59.