菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)熱電輸出性能模擬與試驗(yàn)

閆素英，吳 澤，王 峰，馬曉東，王 濤，田 瑞

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菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)熱電輸出性能模擬與試驗(yàn)

閆素英1,2，吳 澤1，王 峰1※，馬曉東1，王 濤1，田 瑞1,2

（1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 風(fēng)能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051）

該文基于直通式微通道冷卻的菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)熱電輸出性能的仿真和試驗(yàn)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，太陽輻照度、聚光元件間的裝配距離、入射角及熱對(duì)流等對(duì)系統(tǒng)熱電性能的影響較大；太陽直接輻照度為226 W/m2時(shí)，菲涅爾透鏡與聚光元件間距離增大2 mm后，功率和電效率分別下降0.98 W和7.4%，對(duì)于確定的菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)，存在最佳聚光元件裝配參數(shù)范圍；當(dāng)太陽直接輻照度一定時(shí)，冷卻工質(zhì)流量越大，電池表面溫度下降越快，但在較高流量時(shí)，隨著流量持續(xù)增大，電池表面溫度下降趨勢(shì)減小；當(dāng)入射角由0°增大至1°后，系統(tǒng)得熱量下降0.25 MJ，在太陽輻照度達(dá)到500 W/m2時(shí)，輸出功率下降6.35 W；試驗(yàn)系統(tǒng)輸出性能穩(wěn)定，且適用于大型系統(tǒng)，該文研究為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)調(diào)控提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

太陽能；輻射；菲涅爾聚光；PV/T系統(tǒng)；砷化鎵電池；熱效率；電效率

0 引 言

為降低光伏發(fā)電投資成本，提高能源利用率，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏/光熱系統(tǒng)及其輸出特性進(jìn)行了廣泛研究[1-2]；Carlo等[3-4]通過有限元法建立聚光光伏光熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)其性能進(jìn)行了優(yōu)化；Natarajan等[5]對(duì)帶有強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的二維聚光PV/T系統(tǒng)模型進(jìn)行了流動(dòng)和傳熱特性分析；微通道以體積小、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電子芯片冷卻[6]，對(duì)于菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)，冷卻砷化鎵電池對(duì)提高電池效率具有重要意義[7]。Zou等[8]將菲涅爾透鏡和三結(jié)砷化鎵電池結(jié)合建立聚光PV/T系統(tǒng)，其光電轉(zhuǎn)換效率為26.6%；Hussain等[9]研究了采用U型散熱器的菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)，Benabderrahmane[10]分析了太陽輻照度、環(huán)境溫度及工質(zhì)流量對(duì)系統(tǒng)熱性能的影響；Xu等[11-12]對(duì)幾何聚光比為1090的菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明系統(tǒng)最高光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)28%；唐磊等[13]根據(jù)蒙特卡洛算法的基本原理，對(duì)模型特定區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以確定近似最大功率點(diǎn)；孫航等[14]針對(duì)相應(yīng)配置分別設(shè)計(jì)算例進(jìn)行仿真研究，并與集中式最大功率點(diǎn)跟蹤結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為顯著提高光伏陣列輸出效率建立理論基礎(chǔ)；付蕊[15]優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種適用于多結(jié)太陽電池的高效聚光Fresnel透鏡，聚光效率均大于80%；金祝嶺等[16]針對(duì)一種菲涅爾式高倍聚光光伏光熱系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

本文將菲涅爾點(diǎn)式聚光與水冷換熱進(jìn)行有效結(jié)合，冷卻高能流密度太陽電池時(shí)，對(duì)余熱進(jìn)行收集，并分析不同因素對(duì)系統(tǒng)熱電性能的影響，以期為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中調(diào)控散熱器入口參數(shù)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及研究方法

1.1 菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)

本文所研究的菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)是由12個(gè)圖1所示單片模組組成的系統(tǒng)模塊，每一塊聚光模組有12塊相同菲涅爾透鏡、12塊相同三結(jié)GaAs 太陽電池以及12個(gè)微通道散熱器，不同模塊可以組成菲涅爾高倍聚光陣列系統(tǒng)。為了方便研究與調(diào)控菲涅爾透鏡、GaAs電池及微通道散熱器之間的耦合匹配，將模組拆解成單片，單片結(jié)構(gòu)與模組熱電輸出性能一致，為了方便對(duì)比及穩(wěn)定性分析，本文試驗(yàn)采用2套單片菲涅爾高倍聚光PV/T模組結(jié)構(gòu)，如圖1所示，組件包含菲涅爾透鏡，光漏斗，光棱鏡、三結(jié)砷化鎵電池芯片、陶瓷基板（PCB板）、微通道散熱。其中，菲涅爾透鏡、光漏斗及光棱鏡組成菲涅爾高倍聚光結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)幾何聚光比為1000，光學(xué)聚光比為811，光學(xué)效率為89.29%，接收角為1.09°；菲涅爾透鏡口徑為330 mm，焦距為480 mm，齒距為1 mm；光漏斗上底44 mm×44 mm，下底19 mm×19 mm，高27 mm；光棱鏡上底19 mm×19 mm，下底10 mm×10 mm，高40 mm；各部件材料均選用玻璃硅橡膠（silicon on glass），其折射率為1.41；散熱結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 菲涅爾高倍聚光PV/T模組結(jié)構(gòu)圖

表1 散熱器結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

圖2為微通道散熱器剖面圖，冷卻水由進(jìn)水口流入散熱器，沿水流方向，先是進(jìn)入左側(cè)腔體，然后進(jìn)入微通道與電池芯片進(jìn)行對(duì)流換熱，再匯流到右側(cè)腔體，由出水口流出。

圖2 微通道散熱器剖面圖

1.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)的熱效率th[14]為

系統(tǒng)的電效率e[14]為

式中為系統(tǒng)的聚光比；為太陽直接輻照度，W/m2；pv為三結(jié)砷化鎵電池芯片的面積，m2。為冷卻工質(zhì)（蒸餾水的質(zhì)量流量），kg/s；p,w為冷卻工質(zhì)的比熱容，J/(kg·℃)；out，in分別為微通道出口和入口流體溫度，K；m，m分別表示不同工作條件下最大功率點(diǎn)輸出的電壓(V)和電流(A)。

得熱量[17]為

式中u為循環(huán)水箱內(nèi)工質(zhì)體積s所含的得熱量，MJ；w為水的密度，kg/m3；s為水箱內(nèi)水的體積，m3；i為散熱器入口水溫，℃；v為循環(huán)水箱中水的溫度，℃。

1.3 數(shù)值模擬

在仿真模型中，換熱結(jié)構(gòu)屬于流-固耦合[1]，流體流動(dòng)雷諾數(shù)范圍20<<2 000，微通道冷卻工質(zhì)作如下近似：三維穩(wěn)態(tài)可壓縮流體，無流動(dòng)滑移，不計(jì)重力影響。邊界條件如下：

1）設(shè)電池表面為heat flux邊界條件，其表面能流密度是經(jīng)過菲涅爾三級(jí)聚光系統(tǒng)聚焦1 000 W/m2的太陽直接輻照度得到。

2）去離子水的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的關(guān)系按式（4）－式（7）計(jì)算。

式中為熱力學(xué)溫度，K。

3）每層結(jié)構(gòu)間設(shè)置interface，以保證網(wǎng)格的連接性。

1.4 試驗(yàn)研究

菲涅爾高倍聚光PV/T模組試驗(yàn)裝置如圖3所示，菲涅爾透鏡固定在跟蹤系統(tǒng)上，其焦距可調(diào)節(jié)，本文的研究是基于焦距480 mm不變的條件下，在該焦距下，系統(tǒng)光斑均勻性和接收面積均最佳；光漏斗通過支架固定在散熱器外包結(jié)構(gòu)上，光棱鏡底端則直接與電池芯片相連；砷化鎵電池與高導(dǎo)熱陶瓷基板（PCB板）層壓連接，并用導(dǎo)熱膠粘貼；微通道散熱器為鋁合金材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)高的特點(diǎn)，PCB板與微通道散熱器焊接；散熱系統(tǒng)通過保溫材料保溫，并通過密封處理；冷卻水箱內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)過散熱器，冷卻砷化鎵電池，在出口處流回該冷卻水箱，實(shí)現(xiàn)冷卻工質(zhì)的循環(huán)使用；冷卻水箱和流體流經(jīng)管路均經(jīng)過保溫處理。

聚光電池為三結(jié)砷化鎵電池，該電池芯片正常工作溫度為?40至100 ℃，最高耐受溫度為180 ℃，GaAs電池尺寸為10.1 mm×10.8 mm×0.195 mm。跟蹤裝置采用全自動(dòng)雙軸跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含光敏探頭、位移機(jī)構(gòu)和控制箱。跟蹤方法采用光敏探頭的反饋驅(qū)動(dòng)和跟蹤程序相結(jié)合的方式，即系統(tǒng)通過光敏探頭反饋太陽直接輻照的方位，同時(shí)，跟蹤程序驅(qū)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，達(dá)到三維方位跟蹤，實(shí)現(xiàn)高度精準(zhǔn)跟蹤的目的?？刂葡淇蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤和手動(dòng)跟蹤的切換，在系統(tǒng)初始化及跟蹤系統(tǒng)精度較低時(shí)，可手動(dòng)調(diào)節(jié)，使聚焦準(zhǔn)確度提高，再切換為自動(dòng)跟蹤模式，完成跟蹤系統(tǒng)的校準(zhǔn)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)物圖

試驗(yàn)地點(diǎn)：內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市（40.85°N，111.67°E），測(cè)試光線入射角為0°，初始進(jìn)口水溫為環(huán)境溫度20 ℃。試驗(yàn)時(shí)間為4－7月份，本文選取4月份一個(gè)月內(nèi)晴天以及典型日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)所用儀器相關(guān)參數(shù)如表2所示，熱電偶被布置于電池芯片背面中心和邊緣處，實(shí)時(shí)測(cè)量電池芯片溫度；鉑電阻被放置于保溫水箱、微通道散熱器進(jìn)口和出口處，實(shí)時(shí)采集水箱和散熱器進(jìn)出口水溫；渦輪流量計(jì)布置于水箱出口處以便對(duì)冷卻水流速進(jìn)行測(cè)量；試驗(yàn)通過TRM-JGFD數(shù)據(jù)采集儀對(duì)熱電偶、熱電阻、太陽直接輻射表、環(huán)境溫度傳感器、風(fēng)速儀測(cè)得的電信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)對(duì)采集得到的電信號(hào)分析處理后，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，各信號(hào)的采樣時(shí)間間隔為1 min，分析不同影響因素對(duì)系統(tǒng)電性能的影響。

表2 測(cè)量儀器的測(cè)量范圍及精度

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽直接輻照度對(duì)系統(tǒng)熱電性能分析

2.1.1 太陽直接輻照度對(duì)系統(tǒng)電效率的影響

由2套相同結(jié)構(gòu)模組系統(tǒng)典型日的測(cè)試數(shù)據(jù)分析可得，兩套系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果接近，如圖4，單片菲涅爾高倍聚光PV/T模組的發(fā)電功率與太陽直接輻照度的變化趨勢(shì)基本一致。功率隨著太陽直接輻照的上升而上升，隨著太陽直接輻照的下降而下降。太陽直接輻照度下降至500 W/m2以下時(shí)，功率的下降更加明顯。

圖5為太陽直接輻照度和系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出效率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖?？梢钥闯觯到y(tǒng)的實(shí)時(shí)電效率與太陽直接輻照度的變化趨勢(shì)一致，其最大值為26%，對(duì)應(yīng)的太陽直接輻照度為最大值850 W/m2；熱效率穩(wěn)定在35%左右，與文獻(xiàn)[18]的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，太陽直接輻照度對(duì)系統(tǒng)熱電效率影響較大。

圖4 功率隨時(shí)間的變化

圖5 系統(tǒng)效率隨時(shí)間的變化

2.1.2 太陽直接輻照度對(duì)熱效率的影響

圖6為系統(tǒng)實(shí)測(cè)熱效率與仿真值的擬合，試驗(yàn)當(dāng)日08:30～16:00太陽直接輻照度較高，最低值809 W/m2，最高值958 W/m2，試驗(yàn)熱效率最高為38.7%，最低32.46%，同時(shí)仿真熱效率的變化規(guī)律與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果一致，仿真值相比試驗(yàn)值高5%，主要因?yàn)榉抡鏇]有考慮環(huán)境風(fēng)速對(duì)散熱的影響。

圖6 系統(tǒng)熱效率對(duì)比

2.2 熱對(duì)流對(duì)系統(tǒng)熱電性能的影響

2.2.1 不同流量下系統(tǒng)熱性能

圖7為不同流量下電池芯片溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。在09:00－15:00，隨著太陽直接輻照度的升高，電池芯片溫度逐漸升高，在15:00時(shí)，電池溫度已經(jīng)上升至較高溫度，因此在15:00后隨著太陽直接輻照度的下降，在短時(shí)間電池芯片溫度并未出現(xiàn)下降趨勢(shì)，而是在半小時(shí)后開始緩慢下降；當(dāng)質(zhì)量流量為0.02、0.013 6和0.007 5 kg/s時(shí)，電池芯片溫度峰值分別為49.8、51.4和53.6 ℃。可見，當(dāng)太陽直接輻照度一定時(shí)，冷卻工質(zhì)流量越大，電池表面的溫度越低，但在較高流量時(shí)，隨著流量的持續(xù)增大，電池表面溫度下降幅度減小。

圖7 冷卻水流速對(duì)電池溫度的影響

2.2.2 試驗(yàn)與仿真對(duì)比

圖8、圖9分別為試驗(yàn)實(shí)測(cè)的電池板背溫度、冷卻水溫度與仿真計(jì)算的對(duì)比。

圖8 試驗(yàn)與仿真電池板背溫度對(duì)比

圖9 試驗(yàn)與仿真冷卻水溫度對(duì)比

仿真計(jì)算的給定初始值與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值一致，入口流量為0.013 5 kg/s，環(huán)境溫度取當(dāng)日平均值18.2 ℃，太陽直接輻照度取不同時(shí)間點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯鲭姵匕灞硿囟群屠鋮s水溫度的仿真值均高于試驗(yàn)值，但變化的趨勢(shì)基本是吻合的；其中冷卻水溫度試驗(yàn)值與仿真值偏差均在5%內(nèi)。電池板背的溫度仿真值高于實(shí)測(cè)值，這是由于計(jì)算時(shí)未考慮風(fēng)速的影響。

2.3 聚光元件間的裝配距離對(duì)系統(tǒng)電效率的影響

為了研究聚光效果對(duì)太陽能電池輸出功率和電效率的影響，本文利用兩套試驗(yàn)?zāi)＝M系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。1#機(jī)的試驗(yàn)參數(shù)保持不變，改變2#機(jī)的焦距，將菲涅爾透鏡與二、三級(jí)聚光器間的距離增大2 mm，得到功率和電效率隨太陽直接輻照度的變化。圖10為1#機(jī)與2#機(jī)的功率與電效率隨太陽直接輻照度變化的對(duì)比圖。從圖10中可以看出，在226 W/m2直接輻照強(qiáng)度下，2#號(hào)機(jī)的輸出功率和電效率分別比1#機(jī)下降0.98 W和7.4個(gè)百分點(diǎn)，下降18.6%和28.1%；851 W/m2直接輻照強(qiáng)度下，2#號(hào)機(jī)的功率與1#號(hào)機(jī)差值達(dá)到最大值5.20 W，下降25.7%，電效率下降7.1個(gè)百分點(diǎn)及25.0%；隨著太陽直接輻照度的增大，兩臺(tái)試驗(yàn)儀器的功率逐漸升高，且兩儀器功率的差值呈增加趨勢(shì)，從0.99 W增大到5.20 W，電效率下降沒有明顯變化。在太陽輻照度達(dá)到500 W/m2以上時(shí)，1#機(jī)聚光效果更好，電池表面的能流密度更均勻，電池芯片產(chǎn)生的電流更大，因此功率的增幅也較大。

圖10 裝配距離對(duì)系統(tǒng)電效率的影響

2.4 入射角對(duì)系統(tǒng)熱電效率的影響

2.4.1 入射角對(duì)系統(tǒng)電效率的影響

圖11為入射角0°和1°條件下兩試驗(yàn)裝置功率和光電轉(zhuǎn)化效率隨時(shí)間的變化情況，可以看出，1#機(jī)功率高于2#機(jī)，在206 W/m2直接輻照強(qiáng)度下，1#號(hào)機(jī)的功率比2#機(jī)高0.97 W，而且隨著輻照度的增大，兩系統(tǒng)間的功率差值也在增加，在太陽輻照度達(dá)到500 W/m2以上時(shí)，與2#機(jī)功率的差值逐漸增大，最大為6.35 W。電效率的變化趨勢(shì)與功率基本相同，兩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率最大差值為9.6個(gè)百分點(diǎn)，隨著太陽輻照度的增加，入射角對(duì)電功率和電效率的影響增大。

2.4.2 入射角對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響

圖12表示入射角為0°和1°條件下兩試驗(yàn)系統(tǒng)得熱量隨時(shí)間的變化；入射角為0°的1#機(jī)得熱量由0.39 MJ增加到2.27 MJ。

圖11 入射角對(duì)系統(tǒng)電效率的影響

圖12 入射角對(duì)系統(tǒng)得熱量的影響

由于入射角的不同，隨太陽輻照量的增大，兩系統(tǒng)得熱量的差值也在逐漸增大[19]；在較低太陽輻照量時(shí)，得熱量的差值為0.13 MJ，隨著太陽輻照量的增加，在當(dāng)天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，得熱量的差值增大到0.25 MJ。由于結(jié)構(gòu)一致，所以對(duì)于由12塊相同結(jié)構(gòu)模組組成的菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)，以及菲涅爾高倍聚光PV/T陣列系統(tǒng)，入射角對(duì)其熱電輸出性能影響是一致的。

2.5 試驗(yàn)誤差帶分析

本文選取4月份晴天數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，并進(jìn)行誤差帶分析。取太陽輻射強(qiáng)度相近的10 d數(shù)據(jù)，如圖13所示，分析10 d內(nèi)09:00－15:30，隨太陽直射輻照在400～900 W/m2范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)輸出功率、電效率的變化規(guī)律?？梢钥闯?，10 d內(nèi)相同時(shí)刻，太陽直射輻照度和功率存在少數(shù)偏離平均值的點(diǎn)，是由于試驗(yàn)當(dāng)天存在瞬間云層遮擋的現(xiàn)象，但總體比較10 d數(shù)據(jù)可知，同一時(shí)刻，系統(tǒng)輸出功率、效率隨著每天的太陽直射輻照度不同會(huì)變化，但是總體變化不大，結(jié)果在平均值上下波動(dòng)，剔除異常點(diǎn)，輸出功率最大值為20.53 W ，比平均值高6.72 W，最小值為9.23 W，比平均值低3.71 W；電效率最大為26.66% ，比平均值高4.65%，電效率最小為17.49%，比平均值低3.09%，主要是由于每天的太陽輻射強(qiáng)度變化引起的，從圖13所示誤差波動(dòng)帶可以認(rèn)為系統(tǒng)輸出基本穩(wěn)定。

圖13 系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性

2.6 經(jīng)濟(jì)性分析

Bosanac認(rèn)為，對(duì)于PV/T系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析會(huì)受到相關(guān)政策的影響，因而即便對(duì)于同一套系統(tǒng)，在不同的時(shí)空環(huán)境下也缺乏統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)[20]。在工程實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)在全壽命周期中的發(fā)電量是分析經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素[21]。圖14為單塊電池菲涅爾高倍聚光PV/T模組的發(fā)電量，可知，4月份晴天日平均太陽直接輻照在600～800 W/m2的范圍內(nèi)，1#機(jī)10 d內(nèi)09:00－17:00的發(fā)電量如圖14所示，可知，日發(fā)電量隨日平均太陽直接輻照的變化，有所波動(dòng)，但相對(duì)穩(wěn)定在日平均發(fā)電量0.1 kW·h左右。

圖14 系統(tǒng)發(fā)電量

3 結(jié)論與討論

本文對(duì)基于微通道冷卻的菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)的熱電輸出性能進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）太陽直接輻照度對(duì)菲涅爾高倍聚光PV/T的熱電性能影響較大；系統(tǒng)熱性能的仿真計(jì)算值均與試驗(yàn)實(shí)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，冷卻水溫度偏差基本均在±5%內(nèi)。由于計(jì)算時(shí)未考慮風(fēng)速的影響，電池板背的溫度仿真值相對(duì)更高；冷卻工質(zhì)流量越大，電池表面的溫度越低，但在較高流量時(shí)，隨著流量的持續(xù)增大，電池表面溫度下降幅度減小。當(dāng)菲涅爾透鏡與聚光元件間增大2 mm時(shí)，系統(tǒng)功率下降，且隨著太陽直接輻照度的增大，功率下降程度增加。當(dāng)太陽輻照度高于500 W/m2，入射角從0°增加到1°時(shí)，功率的差值逐漸增大且最大值為6.35 W，同時(shí)在當(dāng)天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，得熱量的差值增大到0.25 MJ。

2）通過對(duì)4月份晴天及典型日數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差帶分析表明，10 d內(nèi)相同時(shí)刻，系統(tǒng)輸出功率、效率在平均值上下波動(dòng)，主要由于同一時(shí)刻太陽直接輻射強(qiáng)度不同引起的，輸出功率最大值為20.53 W，比平均值高6.72 W，最小值為9.23 W，比平均值低3.71 W；電效率最大為26.66%，比平均值高4.65%，電效率最小為17.49%，比平均值的低3.09%；4月份晴天日平均太陽直接輻照在600～800 W/m2范圍時(shí)，日發(fā)電量隨日平均太陽直接輻照的變化有所波動(dòng)，但相對(duì)穩(wěn)定在日平均發(fā)電量0.1 kW·h左右。

根據(jù)試驗(yàn)裝置的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，入射角、聚光元件間的裝配距離等因素會(huì)對(duì)菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)的輸出性能產(chǎn)生不同程度的影響，且隨著太陽直接輻照的增加，影響程度增大，由于結(jié)構(gòu)一致，所以對(duì)于由12塊相同結(jié)構(gòu)模組組成的菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)，以及菲涅爾高倍聚光PV/T陣列，結(jié)論是一致的，即該結(jié)論也適用于大型系統(tǒng)。本文研究為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中調(diào)控散熱器入口參數(shù)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，使得系統(tǒng)實(shí)際熱電效率、輸出功率最佳，以此提高太陽能綜合利用率并降低系統(tǒng)成本。

[1] 史志國，閆素英，田瑞，等. 電熱協(xié)同作用下太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)輸出特性分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，39(16)：43－48，107. Shi Zhiguo, Yan Suying, Tian Rui, et al. Output characteristics analysis of solar photovoltaic/thermal system in cooperation between thermal and electric[J]. Automation of Electric Power systems, 2015, 39(16): 43－48,107. (in Chinese with English abstract)

[2] Rajendran D R. Experimental studies on the thermal performance of a parabolic dish solar receiver with the heat transfer fluids SiC+ water nano fluid and water[J]. Journal of Thermal Science, 2017, 26(3): 263－272.

[3] Carlo Renno. Optimization of a concentrating photovoltaic thermal (CPV/T) system used for a domestic application[J]. Applied Thermal Engineeri-ng, 2014, 67(1/2): 396－408.

[4] Carlo Renno, Michele De Giacomo. Dynamic simulation of a CPV/T system using the finite element method[J]. Energies, 2014, 7: 7395－7414.

[5] Natarajan S K, Mallick T K, Katz M, et al. Numerical investigations of solar cell temperature for photovoltaic concentrator system with and without passive cooling arrangements[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011, 50(12): 2514－2521.

[6] 羅小平，鄧聰，馮振飛，等. 制冷系統(tǒng)不同表面能微通道的流動(dòng)沸騰傳熱特性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(20)：217－222.

Luo Xiaoping, Deng Cong, Feng Zhenfei, et al. Flowing boiling heat transfer characteristics test for microchannels with different surface energy in refrigeration system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(20): 217－222. (in Chinese with English abstract)

[7] 閆素英，李洪陽，史志國，等. 太陽能電池冷卻用微通道散熱器內(nèi)納米流體換熱特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(13)：212－217.

Yan Suying, Li Hongyang, Shi Zhiguo, et al. Heat transfer characteritics of nanofluid in microchannel applied on solar cell cooling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 212－217. (in Chinese with English abstract)

[8] Zou Y H, Yang T S. Optical performance analysis of a HCPV solar concentrator yielding highly uniform cell irradiance[J]. Solar Energy, 2014, 107: 1－11.

[9] Hussain M I, Lee G H. Experimental and numerical studies of a U-shaped solar energy collector to track the maximum CPV/T system output by varying the flow rate[J]. Renewable Energy, 2015, 76: 735－742.

[10] Benabderrahmane A, Aminallah M, Laouedj S. Heat transfer enhancement in a parabolic trough solar receiver using longitudinal fins and nanofluids[J]. Journal of Thermal Science, 2016, 25(5): 410－419.

[11] Xu Ning, Ji Jie, Sun Wei, et, al. Performance analysis of a 1090X point-focus Fresnel high concentrator photovoltaic/ thermal system with triple-junction solar cells[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 100: 191－200.

[12] Xu Ning, Ji Jie, Sun Wei, et al. Numerical simulation and experimental validation of a high concentration photovoltaic/ thermal module based on point-focus Fresnel lens[J]. Applied Energy, 2016, 168: 269－281.

[13] 唐磊，曾成碧，苗紅，等. 基于蒙特卡洛的光伏多峰最大功率跟蹤控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(1)：170－176. Tang Lei, Zeng Chengbi, Miao Hong, et al. A novel maximum power point tracking scheme for PV systems under partially shaded conditions based on Monter Carlo algorithm[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(1): 170－176. (in Chinese with English abstract)

[14] 孫航，杜海江，季迎旭，等. 光伏分布式MPPT機(jī)理分析與仿真研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43(2)：48－54.

Sun Hang, Du Haijiang, Ji Yingxu, et al. Phtovoltaic distributed MPPT mechanism analysis and simulation study[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(2): 48－54. (in Chinese with English abstract)

[15] 付蕊. Fresnel聚光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在聚光光伏中的應(yīng)用研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)北京，2017.

Fu Rui. Optimization Design of Fresnel Concentrator and Application Research in Concentrator Photovoltaic Technology[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[16] 金祝嶺，季杰，徐寧，等. 一種菲涅爾式高倍聚光光伏光熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2018，39(1)：69－75.

Jin Zhuling, Ji Jie, Xu Ning, et al. Experimental study of a point-focus fresenel high concentrator photovoltaic/thermal system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(1): 69－75. (in Chinese with English abstract)

[17] 閆素英，田瑞，于文艷，等. 玻璃真空管內(nèi)插熱管式太陽熱水系統(tǒng)熱性能研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2009，30(8)：1037－1042.

Yan Suying, Tian Rui, Yu Wenyan, et al. Study on thermal performance of evacuated Tubular solar Water with an inserted heat pipe[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(8): 1037－1042. (in Chinese with English abstract)

[18] Xu N, Ji J, Sun W, et al. Electrical and thermal performance analysis for a highly concentrating photovoltaic/thermal system[J]. International Journal of Photoenergy, 2015.DOI: 10.1155/2015/537538

[19] 徐寧. 菲涅爾高倍聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)理究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2016.

Xu Ning. Theoretical and Experimental Investigation on Fresnel Concentrator Photovoltaic/thermal Systems[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2016. (in Chinese with English abstract)

[20] Bosanac M, S?rensen B, Katic I, et al. Photovoltaic/thermal solar collectors and their potential in denmark[R]. EFP report, 2003.

[21] Chen J, Hui S, Li J, et al. Performance analysis of grid-connected thin film Pv systems in Guangzhou[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2011, 32(1): 45－48.

Simulation and test of thermoelectric output performance of Fresnel high concentration PV/T system

Yan Suying1,2, Wu Ze1, Wang Feng1※, Ma Xiaodong1, Wang Tao1, Tian Rui1,2

(1.010051,; 2.010051,)

High concentration photovoltaic equipped with water cooling, have great potential in achieving cost-effective and clean electricity generation at utility scale, so a point-focus Fresnel high concentrating photovoltaic/thermal (PV/T) system with active cooling methods were proposed in this paper. The device consists of Fresnel lens, dual-axis tracking system, water circulation system, data acquisition system and support structure. An active thermal circulation with coolant fluid can enable heat transfer from the central receiver to a thermal load so that the dissipated heat is collected as usable energy. Water is used as the cooling fluid in the microchannel radiator. The dual-axis tracking system ensures that the high concentrating PV/T array tracks the sun accurately and the inverter helps to output electrical power at the maximum power point. The cooling water flows into the radiator from the water inlet, the GaAs battery is cooled, and the water flows back to the cooling water tank to realize the circulation. The influence factors on the thermoelectric performance of the system were investigated, including the direct irradiance of the sun, the assembly distance between the concentrating elements, the incident angle of the sunlight and the flow rate of the working water. The results showed that the temperature of the surface of the battery was decreased with the flow rate of the cooling water when the flow rate was below to the limit value, while it decreased at a slower rate with the increase of flow rate when the flow rate was higher than the limit value. The power and electrical efficiency were dropped to 0.98 W and 7.4 percent point, respectively, when the distance between the Fresnel lens and the 2nd/3rdstage concentrators was increased by 2 mm, and the direct normal irradiance value was 226 W/m2. Meanwhile, output powers of two experimental instruments were added with the increasing of irradiance, while the difference performance of the instruments was observed clearly. Therefore, it is essential to gain an optimal concentrating element assembly parameter range for the certain Fresnel high concentrating PV/T system. The heat absorption was decreased about 0.25 MJ with the incident angle increased from 0° to 1° and the output power was declined to 6.35 W when the irradiance was 500 W/m2. Direct normal irradiance was an important characterization factor affecting the thermal and electricity output. The results indicated that when the direct normal irradiance value was 850 W/m2, the highest photovoltaic efficiency value was 26% and the instantaneous thermal efficiency could be achieved to 35% at the same time, which meant the total solar energy conversion efficiency of the high concentrating PV/T system was more than 60%. The real-time electric efficiency of the system was consistent with the trend of direct normal irradiance. Power and electrical efficiency and the output characteristics of the system in the experiment were stable through analyzing errors of direct normal irradiance. The results obtained from this paper are also suitable for the large systems due to the experimental system was consisted with 12 modules. The results provide a reference for adjusting the inlet parameters of the heat exchanger during the actual operation of the Fresnel high concentrating PV/T system.

solar energy; irradiance; Fresnel concentrating system; PV/T system; GaAs cells; thermal efficiency; electrical efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.025

TK515

A

1002-6819(2018)-20-0197-07

2018-04-28

2018-09-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51766012）；內(nèi)蒙古草原英才資助（2016年度）；內(nèi)蒙古科技計(jì)劃（2016年度）；內(nèi)蒙古財(cái)政創(chuàng)新引導(dǎo)基金資助（2017年度）

閆素英，教授，博士，主要從事太陽能光熱、光電利用技術(shù)的研究。Email：yan_su_ying@aliyun.com.

王 峰，博士，主要從事納米材料特性研究。Email：wangfeng@imut.edu.cn

閆素英，吳 澤，王 峰，馬曉東，王 濤，田 瑞. 菲涅爾高倍聚光PV/T系統(tǒng)熱電輸出性能模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(20)：197－203. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.025 http://www.tcsae.org

Yan Suying, Wu Ze, Wang Feng, Ma Xiaodong, Wang Tao, Tian Rui. Simulation and test of thermoelectric output performance of Fresnel high concentration PV/T system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 197－203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.025 http://www.tcsae.org