太陽能高倍聚光光伏電——熱聯產復合系統的研究

湯迪 錢耀 唐自豪 陳明 周平旺 李鵬

（武漢理工大學機電工程學院 湖北武漢 430070）

1 概述

太陽能由于清潔無污染、取之不盡且總量巨大，是一種很好的可再生能源。目前商用的光伏電池組件的光電轉換效率通常只有6%到15%，其余的大部分轉化成熱能，一部分散失到環境中去，另一部分則導致電池溫度升高、發電效率降低。為提高太陽能綜合利用效率、降低發電系統的成本、解決光伏電池的冷卻問題，國內外學者[1,2]提出了太陽能光伏/光熱綜合利用(PV/T)的思想，即在光伏組件的背面鋪設流道，通過流體帶走耗散熱能，并對這部分熱能加以收集利用,大大提高了太陽能的綜合利用率。近年來聚光太陽能光電-光熱綜合利用復合（CPV/T）系統的研究逐漸受到重視[3]。

2 熱管式CPV/T 系統的理論研究

熱管式CPV/T系統的核心組成部件是熱管式CPV/T“組件”。每一個組件由12個熱管式CPV/T“單元”組成，每個單元通過通有冷卻水的水管串聯在一起。太陽光通過菲涅爾透鏡聚光后投射在兩個聚光太陽能電池上。電池通過導熱貼粘接在冷卻塊上，冷卻塊的分別緊密裝配在熱管的兩端（即熱管的蒸發段）。熱管的中間段（冷凝段）穿過通有循環冷卻水的水管。一部分太陽能被電池轉化為電能，其它無法轉化的“廢熱”會通過聚光太陽能電池傳遞給冷卻塊，在由冷卻塊傳遞給熱管的蒸發段，通過熱管將“廢熱”釋放給熱管外部循環的冷卻水。為了減少熱損失，在冷卻塊、熱管、水管的外表面包裹有絕熱材料。

2.1 熱管式CPV/T 單元的性能描述

光熱復合單元安裝在雙軸太陽能跟蹤器上，投射在光熱復合單元上的總能量可用式表示：

ηopt為菲涅爾透鏡的光學效率；f 是跟蹤系統的跟蹤誤差；為某一時刻太陽直射輻照DNI的強度。

熱管式CPV/T單元的發電功率可表示為：

ηopt為聚光太陽能電池的效率。

因此，光熱復合單元的發電效率可表示為：

由于熱對流，熱輻射原因，通過電池基板上表面會產生熱損失，應用熱平衡定律，通過熱管式CPV/T單元的熱功率可表示為：

因此，“單元”的熱效率可表示為：

3 熱管式CPV/T 系統的全天性能分析

我們以受光面積為18.75m2、聚光比為1000、冷卻水的流量為4.8L/min，水箱中冷卻水總體積為1500L的熱管式CPV/T系統為研究對象，對該系統的全天（夏至日8:00到17:00）性能進行數值模擬仿真。該熱管式CPV/T系統在良好天氣條件下運行一天，能夠產生1500L熱水和約為22kW·h的電能。該系統的發電效率全天維持在26%到28%，熱效率維持在45.5%到46.5%。系統的綜合效率能達到72%。

4 熱管式CPV/T 系統的成本分析

以一個受光面積為18.15m2的熱管式CPV/T系統為例，該系統的建造成本約為$10000。若某地區年均直射輻照能量為1300kW·h/(m2/a)，中國光伏發電的“上網電價”約為0.16$/kW·h，熱水的價格約為4.8$/t，全年的收益約為$1200。系統的回收期隨系統的聚光比的增加而縮短。聚光比為800或者1000的熱管式CPV/T系統回收期在10年以內。

5 結語

本文建立了一種熱管式CPV/T系統的數學模型，基于該數學模型，分析了該系統在良好天氣條件下一天的性能變化。該系統的發電效率全天維持在26%到28%，熱效率維持在45.5%到46.5%。系統的綜合效率能達到72%。該系統的回收期限與傳統的PV/T系統差距不大。但如果借鑒Huang對傳統PV/T系統的評價方法來評價該熱管式CPV/T系統的性能，該系統的綜合效率可達113%，大大高于傳統的PV/T系統（約為60%）和太陽能熱水器（低于50%）。

[1]吳雙應，張巧玲，肖蘭，等.采用熱管冷卻技術的太陽能光伏電-熱一體化系統性能分析.中國電機工程學報.2011(32):137-144.

[2]Gang P,Huide F,et al.A numerical and experimental study on a heat pipe PV/Tsystem.Solar Energy.2011,85(5):911-921.

[3]Renno C,Petito F.Design and modeling of a concentrating photovoltaic thermal(CPV/T)system for a domestic application.Energy and Buildings.2013,62:392-402.