低集中阳光的太阳杂交系统成分研究

摘要

太阳能作为一种可再生能源得到越来越多的利用。提高太阳能转化为有用能源(电、热)的效率是可再生能源领域的一个重要研究方向。利用热电联产的混合系统可以是一个解决方案。在本研究中，设计、制造、实现了一个混合系统(HS)，并在浓缩比为25个太阳的阳光下进行了实验测试，获得了一个菲涅耳透镜作为阳光集中器。HS由四个集中光伏电池(CPVs)、四个热电发电机(TEGs)和一个太阳能热集热器(STC)组成。研究了暴露表面的三种构型:只有CPV活性区、陶瓷支撑的CPV活性区和陶瓷支撑的CPV活性区覆盖石墨片。结果表明，系统各部件的效率受暴露表面的影响。当cpv的效率从第一次配置的32.3%下降到最后一次配置的30.8%时，teg和STC的效率分别从0.12%上升到0.44和26.3%上升到52.0%。当浓度比从25个太阳增加到33个太阳时，cpv的功率增加了近31%，但效率略有下降，而teg和STC的效率反而增加了。

1.介绍

目前，可再生能源是世界能源使用总量的重要组成部分。然而，为了提高可再生能源的可用性，需要提高它们的效率。这种提高效率的方法是使用混合，这样的混合系统(HS)可以由带有热电发电机(TEG)的光伏电池(PV)、带有太阳能热收集器(STC)的光伏电池(PV)或PV-TEG-STC组装而成。光伏效率随温度的升高而降低。高浓度比下的多结电池转换效率可达45%以上[1］.太阳能光伏的太阳吸收率在80%到93%之间[2，这意味着大部分的阳光转化为热量，这就增加了PV的温度。有许多解决方案用于冷却pv [3.，4]，而应用最广泛的是基于水冷却系统的，如在PV表面喷水[5]，通过安装在光伏组件背面的集热管道强制水循环[6，7]形成PV/STC系统，并将PV浸入水中[8］.有基于空气流的PV冷却系统[9，10或以热电冷却器为基础[11］.基于数字的最新研究[12]和实验性的[13研究的重点是光伏板的被动冷却。在[13，采用了一种基于铝翅片的被动空气冷却，从而使功率产量增加约5%。[5，8- - - - - -13]基于从PV中除去热能，并在不使用它的情况下消除环境中。另一种方法是使用它而不是消除热能。基于这种方法，解决方案是基于PV和STC之间的温度差，并使用STC作为热能源的温度差来使用TEG作为电能的电能。通过Cotfas等人在自然条件下研究了这种系统。[14]表明，由于其温度降低，HS中集成的PV的输出功率增加了超过11％。由本研究产生的一个重要结论是研究HS配置的稳定时间约为7分钟。由于其在PV和冷却系统之间引入的热阻，将TEG整合在HS中的效果可能是负的。从材料，几何，热电连接的角度来看，有很多关于HS优化的研究。李等人。[15]分析了PV /羊毛HS基于羊毛的几何参数,太阳辐照度和冷端温度,他们报告说,HS显示比例的总体效率依赖与羊毛的横截面积成反比的依赖与羊毛的高度和冷端温度。

Rezania和Rosendahl [16表明，在聚光光伏电池(CPV)和散热器之间使用TEG会增加热阻，导致温度升高，CPV效率降低。然而，CPV和TEG的热电联产提高了整个系统的效率。Kil等人[17结果表明，当浓度比大于35个太阳时，CPV/STC系统的总效率要高于单个CPV。廖等人[18描述了低浓度比PV/TEG系统的理论研究，为该系统的优化设计提供了一些准则。根据本研究，PV/TEG设计应考虑浓度比和通过系统组件的电流。Saeedi等人[19表明在PV/STC系统中，水流的流量会影响系统的性能。当水流量从0.001 kg/s增加到0.044 kg/s时，系统效率从17%左右提高到21.56%的最佳值。

在浓缩阳光下，PV的冷却系统是强制性的;因此，使用CPV / TEG / STC系统作为混合能源成为可行的方法。关于集中光的CPV / STC系统的全面审查是覆盖各个组件设计，传热介质，应用和经济学的方面是由George等人完成的。[20.］.他们发现，来自电气和热效率的组件的矛盾要求可能会影响HS效率而无需组件优化。同时，使用的流体的不同参数（如质量流速，密度，粘度，时间和所需温度）可以影响热部件的性能。

集中的太阳光可以通过不同的技术获得:有基于抛物面反射器的太阳光集中器、定日器、菲涅耳反射器或不同形状的菲涅耳透镜[21，22］.对于高速钢，这些集中器可以带有或不带有光谱束分束器[23］.

Yazdanifard等人[24[，]通过仿真研究了CPV/STC系统抛物槽内纳米流体的流动状态、所用管道的长度和直径以及作为工作流体的纳米流体的影响，并将结果与平面PV/STC系统进行了比较。他们发现层流或紊流状态会影响系统的总能量效率。研究了CPV/STC与TEG的结合[25通过仿真和实验验证。对于光的浓度，采用抛物线槽聚光器。Riahi等发现CPV/TEG/STC的电效率比CPV/STC提高了7.46%。此外，在本文中，估计CPV/TEG/STC系统每年产生的电能可增加359千瓦时由于TEG热电联产。Mahmoudinezhad等人[26]通过数值模拟和太阳模拟器验证，研究了CPV-TEG系统在低浓度光比下的瞬态行为。在瞬态条件下，CPV响应迅速;相反，由于热容和热阻，TEG响应较慢。由于这种行为，TEG作为HS的组成部分代表了一种方式来稳定HS的总功率输出。

HS的配置也很重要。由[25]建议有两个系统，一个CPV/STC和一个TEGS/STC并排放置。这种配置利用了CPV和TEG的最大辐照度，但两倍于HS的表面。Mohammadnia等人[27]研制了一种由CPV、TEG和斯特林发动机组成的HS模型，该发动机采用抛物面太阳能盘聚光器和分束器。他们发现，在455.8个太阳时，HS的总转换效率为21.8%。另一种方法是将HS的所有三个组件置于三明治结构中(一个在另一个之上)。每次使用TEG时，应在TEG较冷的一侧放置散热片，以便散热。在研究CPV/TEG HS的瞬态行为时[26，28，即使在使用水冷散热器时，TEG冷侧的温度变化也高达10°C。因此，它可以转化为有用的热能，而不是散热。在[29[人工条件]在[14]，在自然光下，在[30.]，在使用太阳模拟器的集中光下。

对于HS来说，一个关键因素是高系统性能的热管理。在分析上述对HS的研究时，没有深入研究暴露表面对太阳的吸光度。本文重点研究了CPV/TEG/STC三明治结构HS，在实际工况下，考虑不同的表面暴露量，以确定吸热对各HS组分效率的影响。由于HS组分的相反要求，这方面应该加以研究。CPV的温度要求较低，而其他组件的温度差异较大，因此需要较高的温度。我们考虑了只暴露在辐照度下的主动CPV区域和包括支撑的整个CPV区域的情况，在第三种情况下，我们使用了吸热器。作为聚光器，使用了一个平面菲涅尔透镜，使我们可以研究低聚光比下的HS，根据[31]，其中三个阳光聚光器课程被认为是：低浓度级别，带有1-40级太阳的愤怒，中等浓度等级，范围为40-300太阳，高浓度级别，范围为300-2000级太阳。

本文的其余部分结构如下:第二部分描述了有关实验设置的所有方面，包括HS的结构、使用的太阳跟踪器、太阳集中器和开发的测量系统，用于描述HS组件，第三部分是结果和讨论，涵盖了所有三种HS成分的测量和分析，第四部分是结论。本实验研究的结果可从吸热优化的角度为HS设计提供参考。

2.实验设置

２.１.混合动力系统

混合系统(HS)是由四个集中光伏电池(cpv)、四个热电发电机(TEGs)放置在cpv之间，以及一个太阳能平板集热器(STC)组成的三明治结构(见图)1）.将整个HS置于隔热箱中，留下仅打开顶表面。

这些cpv是由SolAero Technologies制造的三结光伏电池(InGaP/InGaAs/Ge)，专为在集中阳光下工作而设计。32］.CPV特性参数如表所示1．我们使用了4个活动面积为1厘米的cpv²，放置在 陶瓷支撑（Al₂O_3.）具有直接粘合的铜，具有Au / Ni表面电镀。CPV串联连接两个。

羊毛是Bi₂Te_3.型号:TEC1-12710 [33，所有四个是串联的。TEG特性参数如表所示1．

该STC是由一个铜块铣削成一个叉状通道形状。STC的尺寸是 ．

4个cpv用导热双胶粘带放置在铜板上，导热系数为2.5 W/m∙K。铜板(2毫米厚)用于在teg的顶部表面均匀散热，也为了在teg的表面有放置热电偶的空间(进入铜板上的铣槽中)。用导热系数为3.8 W/m∙K的导热浆料保证teg表面与STC和铜板之间的热连接。

2．2.太阳跟踪器

为了集中阳光，这个系统被设计成跟随太阳的运动。因此，基于JEC电子技术制造的J-PT-1008D-1装置实现了太阳跟踪器，该装置具有两个自由度。J-PT-1008D-1装置水平旋转角度为356°，垂直旋转角度为±70°。在J-PT-1008D-1装置上增加了两个1000PPR的PD30光学编码器，实现了对太阳跟踪器的闭环控制。太阳跟踪器采用NI myRIO装置进行控制，并实现了数学算法。

２.３.阳光集中器(SLC)

SLC是沿菲涅耳透镜建造的，尺寸为 由聚甲基丙烯酸甲酯。使用的菲涅耳透镜的光学效率， ，是83％[34］.菲涅耳透镜使用四根螺纹杆固定在主支架上，允许修改菲涅耳透镜和混合系统(HS)之间的距离。HS被放置在一个次级支架上，可以使用步进电机驱动的线性驱动器移动到菲涅耳透镜。

２.４.测量系统

测量系统图如图所示2．为了测量HS的重要参数，使用专用电流，电压和温度模块的Ni CRIO 9074平台以及自行设计的电子负载，EL。基于排出/充电过程中的预压电容器阻抗的变化来开发EL，并用于测量CPV和TEG阵列的I-V特性。EL的简化一个通道图案如图所示2．在第一阶段，开关通过电阻R将电容器C连接到电压源V，并且它被带负电。在第二阶段，电容器通过开关S连接到PV。在该阶段，C在PV上排出，然后从PV充分充电。以这种方式，消除了电路电阻的影响确保了获得整个I-V特性（来自Isc来挥发性有机化合物）.温度测量是用k型热电偶完成的，这些热电偶被放置在每个CPV支架的顶部，铜板和TEG之间，TEG和STC之间，以及STC的进口和出口。

用于测量的NI CRIO上的I / O模块如下：NI 9215电压输入模块，具有±10 V输入范围和16位分辨率，NI 9225电流输入模块5a_rms.NI 2013和NI 9211模块专用于基于热电偶的温度测量。两个温度测量模块的输入范围分别为78.125 mV和±80 mV，分辨率为24位。所使用模块的精度:电压模块精度为0.2%，电流模块精度为±0.37%，温度测量精度小于0.07℃。

用fch -m- pomc - lc流量计测量水流，其精度为2%。太阳辐照度是用SPN1 δ T日晒计测量的，该日晒计提供了关于全局和漫射辐照度的信息。利用这两种辐照度，可以计算出直接辐照度。SPN1的分辨率为0.6 W/m²不确定性为5%。

使用NI LabVIEW开发了用于测量、控制和数据分析的软件应用程序。整个系统如图所示3.．有关实验系统的更多细节见[35］.为了减小电子噪声对系统造成的误差，采用了矩形平滑算法，电压和电流的平滑宽度为75点，温度的平滑宽度为3点。

测量的流程图如图所示4．测量程序的结构如下:（一世）开始时，PC将NI cRIO和NI myRIO设备的时钟与PC时钟同步。然后，太阳跟踪器移动到参考位置(方位角和高度角等于零)(2)它将验证时间是否在天间隔内。在真实情况下，太阳跟踪器被移动到太阳的位置。系统等待预定义的时间 ．然后NI cRIO控制三个EL通道测量两个CPV阵列(两个通道)和TEG阵列(一个通道)的I-V特性。同时，测量所有温度和水流。辐照度数据通过PC机与SPN1串口通信获得(3)所有数据分别保存在NI cRIO硬盘和PC硬盘上(iv)该系统等待预定义的测量时间，然后，重复过程，没有初始化阶段

所有保存的数据传输到PC，并使用NI LabVIEW应用程序进行后处理和分析。

3.结果和讨论

该系统在罗马尼亚山城Brasov的自然条件下进行了测试，海拔500米(拉特:45.648°，长:25.606°)。该系统被放置在学校建筑的屋顶上，以保证自由的阴影和反射面积。在试验期间，存在阳光充足和部分阳光充足的气候条件。用所研制的系统所获得的辐照度范围为5 ~ 56个太阳 区域。用于测试系统的照明点的大小为 其中浓度比为25个太阳，包括菲涅耳透镜的光学效率。通过这种配置，保证了CPV照明的均匀性。

HS被热保护氧化铝板覆盖，有三种配置:（1）只有cpv的活性区域保持裸露(与氧化铝交叉，WAC，图5(一个)）.暴露区域为4厘米²．在这种情况下，可以由TEG和STC使用的热能是CPV吸收的总能量与电力中的能量之间的差异（2）暴露CPV支撑区16 cm²(无氧化铝十字，WoAC，图5 (b)）.在这种情况下，可用的热能通过载体的吸收而增加（3）CPV的陶瓷支撑用石墨板覆盖，可用于更好的热吸收（具有石墨片，WG，图5 (c)）.在这种情况下，使用石墨片导致系统吸收的热能增加

选择三种配置以分析热吸收对每个HS组分效率的影响。在具有不同热吸收系数的三个表面中，吸热是不同的，因此将改变HS的每个组分的工作温度。由于系统的热管理代表了HS的整体效率（CPV需要较小的温度，而TEG和STC需要高温）的非常重要的因素，使用这三种情况，可以研究热量如何吸收影响HS效率。

通过STC测试的水流速设置为0.4 L/min。根据I-V特性确定cpv和teg的功率和效率。根据进出水口水温和入射辐照度计算了该装置的效率。

3．1.CPV分析

使用Ni Creio平台和自动设计的EL测量集中和非浓度阳光的CPV I-V特性。数字6说明了一组cpv在集中(25个太阳)和非集中阳光下的I-V和P-V特性(图中cpv的电流和功率乘以20)6）.在非集中阳光下(不含菲涅耳透镜)，CPV阵列在1000 W/m辐照度下产生的最大功率为51 mW²．

CPV效率计算公式如下: 在哪里是CPV电效率，为cpv的电力(W)，cpv (m²）， 和是辐照度(W/m²）.基于等式（1)， CPV效率为25.5% mW, 厘米²(一个CPV数组的面积)，和 W / m²．

数字7显示了在25个太阳的集中阳光下产生的CPV电力。四辆cpv的平均功率都在3.1 W左右。HS计划中测量的所有cpv的平均温度变化和直接太阳辐照度如图所示8和9．可以观察到使用WGS构型获得CPV的最大温度，并且由于石墨片的热吸收，它约为52℃。在WAC配置的情况下，由于氧化铝屏蔽，CPV的温度是最小的一个，约35°C。7月份在三天内进行了测量。

浓度下CPV效率由式(1)，考虑菲涅耳透镜的浓度比[36]： 在哪里从方程(1）被替换为哪个代表修正后的太阳辐射和为包含菲涅耳透镜光学效率的浓度比( (%)18］.由式(1)和(2[WAC为32.3％，31.4％，WGS的30.8％。

从图中可以看出7cpv产生的电力从WAC配置减少到WoAS和WGS配置。这是因为它们的温度升高了(图8）.

对于WGS的配置，在最后一部分的测量中，浓度比被修改为33个太阳，如图所示7时，cpv的电能由3.09 W增加至4.06 W(31.4%)。与此同时，cpv的温度升高了6℃(图8）.

３．２．羊毛的分析

聚光下TEG I-V特性的测量方法与cpv相同，使用NI cRIO平台的另一个可用通道和EL。在图10，示出了针对TEG阵列获得的I-V和P-V特性。TEG侧面之间的温差为25°C，辐照度为25个太阳。基于I-V特征斜率，可以计算TEG电阻（考虑到四个使用的TEG串联连接），所获得的值为1.2 Ω该结果可与[37］.在25太阳浓度比下，在WGS配置下，TEG获得的最大电能为120 mW，温差为26°C。teg的电效率可以用下面的公式计算[38，39]： 在哪里是TEG的电气效率，是teg的阵列区域，和 为teg的辐照度，其中浓度比还包括CPV的电转换效率， ．即使暴露的表面有不同的反射率，为了比较，我们考虑了三种情况下相同的活动面积为16厘米²，不考虑表面反射率。三种配置中，TEG产生的电能和TEG两侧的温差如图所示11和12．由式(25-太阳浓度比)得到的平均效率3.)， WAC为0.120%，WoAC为0.26%，WGS为0.44%。

当浓度比固定在33个太阳时，TEG阵列在30.5°C的温差下产生的最大电能为170 mW。在这种情况下，TEG效率达到0.45%。

３．３．STC)分析

为了表征STC，测量了进出水温度和水流速率。计算两种温度之间的差值(图)13）.

在0.4 l/min水流速率下，STC进出口的平均水温差WAC为1℃，WoAC为1.5℃，WGS为1.9℃。STC的热效率可由下式计算[38]： 在哪里为STC热效率，为STC区域， 为STC的辐照度，其中浓度比还包括CPV和TEG的电转换效率， ，和为传热速率，按下式计算: 在哪里是水流量，是水比热容，和 是STC的水出口和入口之间的温差。基于等式（4），STC效率为三种配置计算：WAC的36.3％，WOAC的35.7％，WGS的52.0％。

在短时间内，为了观察对STC效率的影响，对水流速率进行修正(图)13用红色圆圈标记)。当水流量为0.56 l/min时，效率为52.7%，当水流量为0.3 l/min时，效率降至51.8%。这证实了水流速率对STC热效率有重要影响[19］.考虑到这个设置在1小时内，24升水的温度可以提高~2℃。如果系统在8小时内乘以5，则1m^3.可以加热水随〜2℃的温度增加。这表明使用具有STC的HS可用于增加小型游泳池的水温。

3．4．讨论

cpv、teg和STC的效率分析结果见表2．

对于HS组分的效率计算，由于每种组分（CPV和TEGS）吸收并转移到下一个组分减去转换成电力的情况，因此使用浓缩额为。人们可以在表格中观察2从WAC到WoAS和WGS结构，CPV效率随着温度的升高而降低(图)8）.这种温度的升高有助于提高teg和STC的效率。在WGS配置下，CPV效率随浓度比的增加而降低一次。根据使用的CPV数据表[32，它们的效率应随浓度比增加一次(直到500个太阳)，但从表2，可以观察到它缓慢地减少。这可以通过它们的温度升高6°C来解释，但也可以通过均匀破碎和色差的增加来解释，当照明光斑与系统活动面积相等时。在[40[结果表明，CPV的填充因子以及它们的效率受到由菲涅耳透镜产生的色差的影响。

在我们之前的论文中研究了使用水冷散热器的CPV / TEGH HS [28］.CPV的效率随辐照度的增加而降低。当辐照度在8到37个太阳之间变化时，本文报告的效率变化在35.33%到23.02%之间。据报道CPV在25个太阳时的效率是27%。类似的CPV效率也有报道[30.］.与本文的结果比较，可以发现有~5%的差异。这可以通过使用的光谱来解释(在引用的论文中，使用了太阳模拟器)，但温度对这种差异的影响很大。在引用的论文中，报道的CPV温度超过了100°C，而在我们的案例中，第一个案例的温度为~35°C，最后两个案例的温度为~50°C。这些差异可以用测试条件的差异来解释:辐照度光谱(氙灯用于太阳模拟器和阳光)和封闭房间和自由空间。

TEG的贡献在整体电能产生上小，在WG中具有0.12W的最大功率。TEG和CPV产生的平均最大功率的比率如图所示14．这种比率随着吸收热量的增加而增加，也增加了太阳能浓度[28，从0.9%上升到4%。WGS2是WGS的例子，有33个太阳。虽然现有的商业TEG效率非常小，但最近的文献报道了一种新的TEG，其效率为7.4% [41］.这种高效率的TEG是在高温(大约600°C)下获得的。在低温下，teg的效率较小，在1-2%范围内。在[42，结果表明，具有优值的teg的效率， 在 °C，约为2％。通过使用这种TEG，其贡献将显着提高HS的整体效率。在我们的案例中，考虑到WGS案例，TEG贡献将增加超过4.5倍。这意味着TEG产生的功率约为540 MW，其占CPV总发电的17％。

结果表明，石墨片的使用提高了TEG和STC的性能，但损害了CPV。在我们的设置中，从16厘米²暴露表面，只有4厘米²是活跃的。CPV是非常好的吸收剂，增加其在外露表面的密度可以通过增加CPV的电转换来提高HS的性能，但这也是由于CPV产生更多的热量，并被TEG和STC使用。自定义模块或类似于[43]可以用来增加CPV密度。

4.结论

本文研究了具有CPV/TEG/STC结构的HS在25太阳浓度比下的结构。HS暴露表面的三种设置被考虑到辐照度:CPV活性区、支撑CPV区和覆盖石墨层的支撑CPV区。在此基础上，成功地分析了提高热吸收率对HS各组分的影响。值得注意的是，由于三个研究案例的吸热率较高，CPV效率从32.3%下降到30.8%，而teg的效率从0.12%上升到0.44%，STC的效率从26.3%上升到52.0%。在暴露区域使用吸热材料增加了teg和STC产生的电力和热能，但降低了cpv产生的电力。

随着浓度比的增加，CPVs的效率由于温度的升高而略有下降，而其他两种组分，teg和STC的效率则略有上升。我们发现，小流量变化的水影响效率的STC。

通过这项研究，我们表明，HS设计应考虑外露表面吸光度，以获得更好的整体效率。同时，还应在实际工作条件下进行实验，以证明其HS性能。混合系统的优点如下:通过降低温度和热电联产(TEG发电和STC发电)来提高cpv的效率。通过使用高性能的teg和优化CPV载体表面的表面反射率可以提高HS的这些性能。

基于本文研究的三种设置，可以得出如下结论（一世）如果重要的部分是电能产生，那么应该使用第一种情况，因为cpv达到的温度很低(2)如果热能也很重要，则应使用第三种情况以提高STC效率。在这种情况下，TEG的电力传递增加到CPV生成的损害。在这种配置中，热能增加，所提出的HS可以用作加热小型游泳池的水的国内系统

进一步的工作将集中在研究增加cpv密度对HS性能的影响，结合浓度比变化和长期监测。定制化和CPV密度的增加将强烈影响HS的成本。因此，经济方面是需要进行的另一项进一步研究。进一步研究的另一个方向是通过模拟和实验找到适合家庭应用的最优结构和尺寸，如小型游泳池的水加热。

数据可用性

本研究中使用的数据集可在合理要求下从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

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