張信韜

（武漢理工大學(xué)機(jī)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(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

為了提高太陽能的利用率，同時(shí)將電力和熱能的產(chǎn)出與家庭的實(shí)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(jì)，實(shí)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(shí)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(duì)電池板降溫實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的梯度利用。研究結(jié)果表明，其太陽能光學(xué)效率達(dá)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(duì)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(shí)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(shí)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(guó)內(nèi)外研究得重點(diǎn)，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(duì)家庭的實(shí)際使用還有改進(jìn)空間，另一方面其對(duì)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(duì)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?cè)谏鲜鲂滦途酃馄鹘Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)集熱型條中有3個(gè)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(shí)現(xiàn)主動(dòng)閉循環(huán)，保證扁平集熱器對(duì)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(shí)，高溫水箱提供生活用水，低溫水箱及時(shí)為高溫水箱補(bǔ)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(yàn)證和測(cè)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(yàn)證

利用SolidWorks的方程曲線控制設(shè)計(jì)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(jìn)行光學(xué)性質(zhì)驗(yàn)證［3］，我們驗(yàn)證光線以中間接收角射入時(shí)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(shí)，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(cè)試與效率計(jì)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(cè)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(cè)試，扁盒式集熱器對(duì)電池板降溫效果較好，對(duì)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(dá)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(duì)太陽光能進(jìn)行分層利用，結(jié)構(gòu)緊湊，適合普通家庭的實(shí)際需求。熱利用的循環(huán)水系統(tǒng)。將對(duì)對(duì)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(shí)，熱利用效率提高明顯。（2）本文進(jìn)行了性能驗(yàn)證和測(cè)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(dá)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(shí)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(bào)，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(jìn)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(jì)及測(cè)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.