張信韜

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

基于復合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案

張信韜

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

為了提高太陽能的利用率，同時將電力和熱能的產出與家庭的實際需求相匹配，提出一種基于復合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案。采用復合曲面設計，實現聚光區的上、下平行雙面聚光［2］。在此基礎上，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）系統的利用方案［1］，實現：太陽能電池板處于聚光器的上表面聚光區，生產電能；平板型太陽能集熱器處于聚光器的下表面，生產熱水；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，可對電池板降溫實現對熱能的梯度利用。研究結果表明，其太陽能光學效率達99.04%，其中電部分太陽能光學效率為85.20%，直接產熱太陽能光學效率為13.84%，對應的光伏發電效率為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，其高效的產電能力和出色的產熱能力適宜普通家庭的實際需求。

復合曲面 太陽能 光伏光熱

目前晶硅電池轉換效率約為10%～17%，而83%以上的太陽能未能被有效利用，其中相當一部分能量轉化為熱能，使光伏電池溫度升高，導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的電熱聯用一體化的理念［4］，這種同時提供電、熱能的系統即為光伏/光熱系統（PV/T）。

聚光型PV/T系統光電功率高且流體熱流密度較高一直是國內外研究得重點，但目前無論是聚光型光伏/光熱系統還是普通光伏/光熱系統，一方面其系統的熱利用效率在針對家庭的實際使用還有改進空間，另一方面其對電池板的降溫與熱能的轉化利用的銜接還有需要優化的地方；本文提出的基于復合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案針對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構及工作原理

在復合曲面的上半部分，入射的太陽光線一部分被匯集到上平面聚光區，被裝在此處的電池板利用。另一部分太陽光線直射或被復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，被裝在此處的平板型太陽能集熱器利用。

我們在上述新型聚光器結構的設計基礎上，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，與電池板進行熱交換，降低電池溫度，提高發電效率，構建扁盒式集熱器。

這種集熱板由若干條全鋁集熱型條榫接而成。每個集熱型條中有3個液體流道，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，利用高度差實現主動閉循環，保證扁平集熱器對太陽能電池板降溫的穩定性，高溫水箱與平板型太陽能集熱器相連，同時，高溫水箱提供生活用水，低溫水箱及時為高溫水箱補水，低溫水箱與供水管相連。構成：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-生活熱水的循環系統。

2　性能驗證和測試

2.1基于復合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案的仿真驗證

利用SolidWorks的方程曲線控制設計出了我們的光伏光熱一體化利用方案的三維模型，將該模型導入Tracepro進行光學性質驗證［3］，我們驗證光線以中間接收角射入時的光學效果。分析結果得知，當我們入射光線總輻射光通量值為10000W時，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性能測試與效率計算

太陽能光學效率η1：

電部分太陽能光學效率η2：

直接產熱太陽能光學效率η3：

通過測試，在扁盒集熱器的降溫效果下，多晶硅太陽能電池板的發電效率穩定在15%，則系統的太陽能光伏發電效率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，產熱效率能穩定在95%，則系統的太陽能直接光熱效率η5：

通過測試，扁盒式集熱器對電池板降溫效果較好，對于多晶硅太陽能電池板不能利用的85%的廢熱，其熱能轉化率達到65%，則系統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　結語

（1）本文闡述了基于復合曲面的太陽能光伏光熱一體化利用方案的結構及工作原理，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，對太陽光能進行分層利用，結構緊湊，適合普通家庭的實際需求。熱利用的循環水系統。將對對電池板的降溫與熱能的轉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，熱利用效率提高明顯。（2）本文進行了性能驗證和測試相關闡述，光伏發電效率在聚光器的使用下，能始終穩定在10.08%，產電能力高效。光熱綜合效率高達62.5%，相較傳統的PV /T系統，光熱利用更能適合普通家庭的實際需求，便于光伏光熱一體化利用系統的推廣。

［1］陳洪亮，鄭振宏，吳文.FPV-CPC集熱器光學性能［J］.太陽能學報，1987，02：129-135.

［2］汪樂，張樹生，翟靜.基于復合式拋物面聚光器的LED反光杯建模研究［J］.激光與光電子學進展，2012，v.49；No.56110：159-164.

［3］吳義超.基于TracePro與SpecWinLight的OLED照明器件設計及測試系統開發［D］.電子科技大學，2014.

［4］劉靈芝，李戩洪.復合拋物面聚光器（CPC）光學分析研究［J］.能源技術，2006，02：52-56+59.