文摘

本文建立了一维稳定模型槽聚光光伏/热力系统与一个超级单元阵列和砷化镓电池阵列,通过实验分别验证了模型。计算结果和实验结果之间的差距不到5%。利用模型,分析了影响的特征参数的性能TCPV / T系统与一个超级单元阵列和砷化镓电池数组,分别。抛物面反射镜的反射率TCPV / T系统中是一个重要的因素来确定太阳能的利用效率。TCPV / T系统的性能可以通过提高镜面反射率和优化照明板的热太阳辐射吸收率和追求合适的焦线均匀光强分布。所有这些作品都将有利于利用槽集中系统和供热/电源。

1。介绍

太阳能聚光光伏/热(CPV / T)系统结合了太阳能电池的低成本集中收集器。太阳能通量强度增加浓度和跟踪太阳来提高太阳能电池的输出功率,并同时forced-circulated冷却水在集中利用,以确保光伏电池工作正常发光。电力和热能的同时获得系统。替代昂贵的太阳能电池的槽形抛物面镜会到降低光伏发电成本。合并后的CPV / T系统提高了太阳能的综合利用。

2004年,可再生能源研究所的澳大利亚国立大学进行了详细研究槽聚光光伏/热(TCPV / T)系统。太阳能电池阵列的效率达到22%,和发电成本与传统光伏系统相比降低了40% (1- - - - - -3]。Mittelman et al。4)的性能和成本调查CPV / T与单效吸收式制冷系统的细节。Kribus et al。5]介绍了评估和设计方法在微型集中PV (MCPV)系统,分析了热传输子系统、电气和热性能,制造成本,能源成本。Tyagi et al。6)评估exergetic集中太阳能集热器的性能,研究了基于每小时太阳辐射的相关参数。上海交通大学也调查了CPV / T系统使用菲涅耳透镜在中国,建立了一维稳定传热模型,计算了热,电,火用效率(7]。东南大学的中国也建立了一个一维稳定传热模型与鳍CPVT系统和分析空气质量流率的影响,事件太阳能强度和风速对空气温度和效率的空气收集器(8]。

我们的研究小组在2005年开始调查TCPV / T系统。一些太阳能电池阵列的性能在TCPV TCPV / T系统和平板PV / T系统模块被报道在9- - - - - -12]。基于之前的作品,本文建立TCPV / T系统的数学模型与一个超级单元阵列和砷化镓电池阵列,由实验模型验证,利用特征参数的模型来分析影响系统的性能。一些理论计算和实验研究工作,和相应的结果。所有这些作品都有助于进一步研究槽集中系统。

2。TCPV / T系统的工作原理

图1显示了TCPV / T系统的配置。它由抛物槽集中器,接收器,太阳跟踪系统,电力输出系统,这个系统。太阳能电池阵列照明板上粘贴的接收器与导热胶带,发电,当阳光集中在他们身上。太阳能电池阵列的温度的增加,太阳能电池阵列的电气性能会恶化。所以forced-circulated冷却水流动的内腔接收机有必要减少太阳能电池阵列的温度。热水是引导并存储在水箱使用。为了减少热损失,内腔是使用保温材料包裹。该系统将收集的太阳能转换为电能和热能通过太阳能电池阵列和加热腔。系统工作时,太阳能集中器跟踪收集太阳直接辐射。系统跟踪太阳高度角通过调整推杆在单轴东西方跟踪模式(南北导向槽集中器)。

3所示。TCPV / T系统的数学模型

3.1。TCPV / T系统的能量平衡方程

根据TCPV / T系统的配置图2(一个)的热网络系统显示在图2 (b)。热网络是用来描述TCPV / T系统的能量流。建立系统的一维传热模型。为了简化计算,假设(1)传热模型的稳态模型;(2)所有的材料的热物理性质和光学参数如管,太阳能电池阵列,胶带,散热板、绝缘罩是常数;(3)沿着流动方向不同组件的热量条件是被忽视的。TCPV / T的能量流动平衡方程建立了系统如下。(一)太阳能电池阵列吸收和转换太阳能直接辐射能,消散热量环境和导热导热胶带,分别同时生成电力如下: 在哪里太阳能电池阵列的平均工作温度,°C;°C的环境温度;的平均温度是导热胶带,°C;对流和辐射传热太阳能电池阵列和环境之间的热阻,分别;是太阳能电池阵列之间的导热热阻和导热胶带,;太阳直接辐射能量在太阳能电池阵列,kJ;是最大的电力输出,W;是操作时间,s。(b)导热胶带从太阳能电池阵列吸收热能和铝合金导热板如下: 在哪里铝合金板的温度,°C;之间的导热热阻导热胶带和铝合金板,。(c)铝合金板吸收的能量来自太阳的直接辐射和导热胶带,转移到热绝缘层,导管,分别和辐射环境 在哪里聚光太阳能直接辐射能在铝合金板、kJ;的平均温度是热绝缘层,°C;管道的温度,°C;是铝合金板之间的导热热阻和热绝缘层,;是铝合金板之间的导热热阻和管道,;和对流和辐射传热铝合金板和环境之间的热阻,分别。(d)管道吸收的热能铝合金板和传送冷却液(水)如下: 在哪里液质量,公斤;是特定的热容,kJ /(公斤·°C);和出口和入口流体温度,°C。(e)管道的温度之间的关系和进口和出口流体的温度 在哪里是管道的内部表面积,米²;是管道之间的对流传热系数和流体,W·m^−2°C⁻¹。(f)隔热层吸收的热能铝合金板和辐射热量环境如下: 和辐射和对流传热和环境热阻之间的隔热层,分别。

在上面的方程,输出特性和太阳能电池阵列的平均工作温度将通过迭代方法。通过假设平均工作温度的太阳能电池阵列第一,并增加电力输出来计算最大的电力输出,然后替换成热平衡方程。重复的方法得到更准确的工作温度和最大电力的太阳能电池阵列的输出。

3.2。太阳能电池阵列的电气性能

太阳能电池的电流方程定义如下: 在哪里光电流,;二极管的反向饱和电流,;是元电荷,C;负载电压,;串联电阻,;二极管的品质因数;玻尔兹曼常数;太阳能电池阵列的平均工作温度,°C。

太阳能电池是串联连接构成的太阳能电池阵列。太阳能电池的数量PN结的品质因数,串联电阻和单元阵列的开路电压增加到n次的太阳能电池。因此,电力的太阳能电池阵列的输出被定义为

至于了三结砷化镓太阳能电池阵列,很难计算为每个结根据当前特定的值(7)。但是我们可以得到拟合经验公式的基础上实验。相对应的电效率的最大光伏发电电力出现线性温度的太阳能电池阵列。

太阳能电池阵列的电效率,%;参考效率获得在参考温度,%;之间的相关系数是太阳能电池阵列的电效率和温度,% /°C;参考温度25°C。

了三结砷化镓太阳能电池的电力输出数组的定义是 在哪里是最大的电力输出,W;太阳直接辐射能量在太阳能电池阵列,kJ;是工作时间,s。

3.3。TCPV / T的评估系统

TCPV / T系统可以同时生产电力和热能。许多研究人员使用的总效率,电效率之和和热效率评估PV / T系统的性能(13- - - - - -15]。热效率和电效率TCPV / T系统给出的 在哪里太阳直接辐射、W / m²;反射镜的有效面积,m²。

显然不合理使用的总效率评估的性能TCPV / T系统因为电能和热能有不同能量的质量。参考(14)使用节约的主要能量来源的数量评估PV / T系统的性能。尽管电能和热能是杰出的在某种程度上,不同的能量质量仍不考虑。很明显,使用可用的能源(火用)作为性能评估标准是一种合理的方法。火用效率TCPV / T系统显示如下(2,14]: 在哪里是比焓,kJ /公斤;s是特定的熵,kJ /(公斤·°C)。

4所示。通过实验验证模型的

TCPV / T系统实验装置的几何浓度比率为16.92图所示3。槽形抛物面镜的有效孔径面积是1.95米²0.69,镜面反射率(紫外分光光度计测试UV3600)。焦距和焦斑宽度是1.20米和0.10米,分别。系统的能量流浓度比率是10.27测试的激光功率仪器MODEL460-1A EG&G伽马科学圣地亚哥,CA。激光功率计可以测量不同波长的强度。平均强度,然后除以直接太阳辐射,我们可以获得能量通量浓度比。接收机的长度、宽度和高度是1.50米,0.12米,0.09米,分别。内部管道的直径是0.03米。所有材料的相关参数如表所示1。

总辐射测量使用日射强度计TBQ-2±2%的精度。直接辐射与太阳热量计测量TBS2-2±2%的精度。太阳能电池阵列的电流和电压测量的数字万用表(侥幸17 b)精度为±1.5%。太阳能电池的工作温度是用温度计测量(63年侥幸)的精度±1°C。进口和出口温度的冷却液使用热电偶测量温度探头装PT100的精度±0.1°C。玻璃转子流量计的质量流量测量的精度±0.0014公斤/ s。基于理论模型的计算结果与下面的实验结果进行了验证。

4.1。的电气性能超级单元阵列基于TCPV / T系统

超级单元阵列如图4是从美国mono-Si太阳能电池,太阳能电池用于命名空间的力量。每个单元的规格是6.2厘米×7.1厘米。每个电池的开路电压和短路电流是0.55 V和1.45,分别与1000 W / m的辐射²和细胞的温度25°C。超级单元阵列组成的16块电池串联TCPV / T测试系统。实验结果和仿真结果如图所示5。我们可以看到实验的模拟曲线近似方法测试曲线。在集中辐照度,电流-电压曲线近似线性和输出性能成为穷人由于其高串联电阻。

4.2。了三结砷化镓电池阵列的电气性能基于TCPV / T系统

砷化镓电池图所示6了三结太阳能电池,是由在中国的上海,每个单元格的规格是3.0厘米×4.0厘米。在nonconcentrating条件,每个电池的开路电压和短路电流是2.58 V和0.17,分别与1000 W / m的辐射²和细胞的温度25°C。砷化镓电池阵列组成的40块串联细胞TCPV / T系统上的测试。根据实验测试结果,我们得到了拟合经验公式的砷化镓太阳能电池阵列电效率在集中发光显示如下:

4.3。的电气性能和热性能TCPV / T系统

的电气性能和热性能TCPV / T系统与一个超级单元阵列和砷化镓电池阵列特征,分别。所有结果都是通过集中的辐照度,定量浓度为10.27。理论计算结果和实验结果如表所示2。理论计算结果和实验结果之间的差距不到5%。模型能够准确地阐明TCPV / T系统的性能特征。从(13),26.06%的最大效率的砷化镓太阳能电池阵列实现的参考温度25°C。然而,我们实验的最大效率约为5.8%。这是因为电池温度上升明显集中辐照度,所以细胞很难达到他们的最佳工作温度。

虽然single-diode方程是申请超级单元阵列和经验线性方程应用的温度依赖性的砷化镓模块,电效率的理论计算同意测量结果对这两种情况下的细胞在桌子上2。与超级细胞相比,砷化镓电池具有更好的耐高温特性。集中辐照度范围的实验中,砷化镓电池仍然保持线性的特点,因此砷化镓的经验线性方程模块是适当的。然而,经验线性方程等超级细胞也许不合适集中辐照度。single-diode模型通常可以改善模型响应/准确性与尊重经验方程,和single-diode方程能够很好地说明了超级细胞在我们的案例中。

5。分析TCPV / T系统的特征参数与一个超级单元阵列和砷化镓电池阵列

模型的基础上,我们分析的影响相关特征参数的性能TCPV / T系统与一个超级单元阵列和砷化镓电池数组,分别。相关的特征参数包括镜反射率、焦斑的宽度,照明板的热吸收率,太阳直接辐射。为了方便计算和比较,认为水质量流量是0.008公斤/ s,流体的入口温度是20.0°C,太阳直接辐射是900 W / m²,环境温度和风速20.0°C和1.0 m / s,分别计算。

5.1。镜反射率的影响

TCPV / T系统反映了太阳辐射和集中使用槽形抛物面镜的焦点。光强度可以提高到一个很高的水平。很明显看到从图7镜反射率的增加从0.5到0.95,电效率、热效率、和(火用)效率提高0.02倍,0.94倍,0.62倍(TCPV / T系统与一个超级单元阵列)和0.65倍、0.90倍、0.93倍(TCPV / T系统砷化镓电池阵列)。超级单元阵列的电效率TCPV / T系统增加首先然后略有下降,也就是说,由于浓度比率为8.46是首选的最佳输出性能超级单元阵列(从16),我们可以得到这样的结论:抛物面镜反射率TCPV / T系统是一个重要因素来确定太阳能的利用效率。因此它是一个有效的方法来提高镜面反射率优化TCPV / T系统。

5.2。焦线宽度的影响

阳光是集中在焦线高能通量密度。用同样的抛物面镜,窄焦线能量通量密度更高。从图8,我们可以看到电效率、热效率和火用效率与焦线宽度的增加下降。超级单元阵列的宽度和砷化镓电池阵列是6.2厘米和4.0厘米,分别。当焦线宽度比太阳能电池阵列的宽度大,太阳的能量将会浪费。所以合适的焦线均匀光强分布表明太阳能的利用效率高。

5.3。照明板的热吸收率的影响

从图9,尽管热吸收率高导致太阳能电池阵列的操作温度和电效率较低,热效率,和(火用)效率增加0.75倍,0.35倍(超级单元阵列TCPV / T系统)和1.38倍,0.14倍(砷化镓电池阵列TCPV / T系统)的热吸收率照明板从0.2增长到0.9。

5.4。太阳直接辐射的影响

集中系统,只有太阳直接辐射可以被利用,它会导致输入能量,直接影响太阳能电池的最大电力输出数组直接和流体出口温度,所以太阳直接辐射的影响TCPV / T系统的表现应该讨论。

图10表明出口TCPV / T系统的流体温度与超单元阵列和砷化镓单元阵列增加线性上升的太阳直接辐射的。上升的太阳直接辐射,砷化镓的最大电力输出单元阵列TCPV / T系统线性增加,但超级单元阵列TCPV / T系统增加首先然后趋于稳定。我们可以看到从图10超级的最佳太阳直接辐射单元阵列TCPV 700 W / m / T系统²。

6。结论

(1)CPV / T的能量流平衡方程推导出系统,和一维稳定模型槽聚光光伏/热力系统与一个超级单元阵列和砷化镓电池阵列,分别。(2)在我们使用2 m验证实验²TCPV / T系统,差距基于上述模型的理论计算结果和实验结果是不到5%,这表明,该模型是有效的。(3)模型的基础上,我们分析的影响相关的特征参数如镜反射率、焦斑的宽度,照明板的热吸收率,和太阳直接辐射的表演TCPV / T系统与一个超级单元阵列和砷化镓电池数组,分别。抛物面反射镜反射率TCPV / T系统是一个重要因素来确定太阳能的利用效率。我们可以优化TCPV / T系统通过提高镜面反射率和照明板的热吸收率,寻求一个合适的焦线与均匀光强分布。

命名法

:	二极管的品质因数
:	反射镜的有效面积()
:	管道的内部表面积()
:	比热容(kJ /(公斤·C))
:	比焓(kJ /公斤)
:	管道和流体之间的对流传热系数(W / ())
:	电流()
:	二极管的反向饱和电流()
:	太阳直接辐射(W /)
:	光电流()
:	玻耳兹曼的常数
:	流体质量(公斤)
:	的太阳能电池
:	太阳能电池阵列的电效率(%)
:	参考效率(%)
:	热系统效率(%)
:	电气系统效率(%)
:	(火用)效率(%)
:	最大的电力输出(W)
:	元电荷(C)
:	太阳能直接辐射能太阳能电池阵列(kJ)
:	聚光太阳能直接辐射能铝合金板(kJ)
:	串联电阻()
:	太阳能电池阵列之间对流换热的热电阻和环境()
:	太阳能电池阵列之间的辐射传热的热电阻和环境()
:	太阳能电池阵列之间的导热热阻和导热胶带()
:	导热热阻之间的导热胶带和铝合金板()
:	铝合金板之间的导热热阻和热绝缘层()
:	导热热阻之间的铝合金板和管道()
:	对流换热的热电阻之间的铝合金板和周围环境()
:	铝合金板之间的辐射传热的热电阻和环境()
:	辐射传热和环境热阻之间的隔热层()
:	对流传热和环境热阻之间的隔热层()
:	具体的熵(kJ /(公斤·C))
:	操作时间()
:	环境温度(C)
:	温度的导热胶带(C)
:	(平均温度的隔热层C)
:	工作温度的太阳能电池阵列(C)
:	铝合金板的温度(C)
:	管道的温度(C)
:	流体的出口温度(C)
:	流体的入口温度(C)
:	参考温度(C)
:	相关系数之间的太阳能电池阵列的电效率和温度(% /C)
:	负载电压()。

确认

本研究在国家自然科学基金的支持下,中国(批准号。50966004,51106134,和U1137605),计划在教育部长江学者和创新研究团队,中国。