郭帥軍，劉雪東，姜洪峰，常澤輝，3

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

太陽(yáng)能以其清潔無(wú)污染、儲(chǔ)量巨大、分布廣泛等特點(diǎn)被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的可再生能源之一，并在21世紀(jì)的節(jié)能降耗中發(fā)揮重要的作用[1].太陽(yáng)能的利用包括太陽(yáng)能光熱、光電、光化學(xué)、光生物等方式.目前，太陽(yáng)能資源最有效的利用方式是太陽(yáng)能光熱利用和光伏發(fā)電[2-3].但是太陽(yáng)能自身具有能流密度低，光照時(shí)間不連續(xù)等缺陷又限制了其規(guī)模化利用.為此，研究學(xué)者設(shè)計(jì)發(fā)明了太陽(yáng)能聚光器，如復(fù)合多曲面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)、碟式聚光器、線(xiàn)性菲涅耳聚光器和拋物面槽式聚光器等，在增加接收體表面能流密度同時(shí)達(dá)到提高太陽(yáng)能利用效率的目的[4].其中，CPC因其接收半角大、可接收直射光和部分散射光、對(duì)跟蹤精度要求低等優(yōu)點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的持續(xù)關(guān)注[5].

復(fù)合多曲面聚光器是由美國(guó)科學(xué)家Winston等根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計(jì)的一種可將入射偏角小于聚光器接收半角的太陽(yáng)光線(xiàn)匯聚到接收體上的非成像聚光器[6].之后，研究人員通過(guò)理論分析、光學(xué)仿真、試驗(yàn)測(cè)試等方法分別對(duì)CPC結(jié)構(gòu)、接收體及其應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化與研究.Ustaoglu等[7]通過(guò)理論分析與試驗(yàn)測(cè)試研究了截短聚光器高度對(duì)其光熱效率的影響，結(jié)果表明，當(dāng)聚光器截短50%后，光學(xué)效率沒(méi)有明顯變化，熱效率為47.4%，僅比全尺寸聚光器熱效率減少1%.呂偉中等[8]通過(guò)在圓筒式CPC加裝透明折射棱鏡上蓋和一系列優(yōu)化措施研制出一種新的圓筒式非跟蹤聚光器，通過(guò)光學(xué)仿真與試驗(yàn)測(cè)試得出：該新型CPC的入射半角最大可至75°，且入射偏角超過(guò)接收半角后，仍可實(shí)現(xiàn)較好的非跟蹤聚光效果.王哲等[9]提出一種新型的非跟蹤非對(duì)稱(chēng)復(fù)合平面型反射聚光器，利用光學(xué)仿真軟件分析了光學(xué)效率及接收體上的能流分布.結(jié)果表明，幾何聚光比相同的聚光器在入射角大于設(shè)計(jì)角時(shí)具有相同的光學(xué)效率，達(dá)到85%以上，接收體表面能流密度分布均勻，且減小平面鏡數(shù)量有利于獲得更均勻的能流密度分布.

朱婷婷等[10]研究了一種接收體是由平板微型熱管嵌入到真空玻璃管中構(gòu)成的新型CPC集熱器，并對(duì)其熱性能進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，在循環(huán)換熱介質(zhì)體積流速為320 m3/h、輻射強(qiáng)度為799 W/m2、環(huán)境溫度為28.8 ℃時(shí)，該聚光集熱器的平均效率約為61%.常澤輝等[11]通過(guò)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試的方法研究了槽式CPC單層玻璃管中分別內(nèi)嵌平板與等邊三角形接收體對(duì)聚光器性能的影響，結(jié)果表明，晴天光線(xiàn)正入射、平板接收體與入射光線(xiàn)平行布置時(shí)，聚光器平均集熱效率為55.49%，比接收體垂直入射光線(xiàn)布置時(shí)的平均集熱效率增加了32.32%.當(dāng)聚光器單層玻璃管內(nèi)嵌等邊三角形的接收體、空氣流速為3.03 m/s時(shí)，聚光器集熱效率為70.76%.表明CPC可嘗試使用單層玻璃管代替玻璃真空管以降低其成本及運(yùn)維費(fèi)用.此外，CPC在太陽(yáng)能集熱領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用，裴剛等[12]介紹了一種用于太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的CPC，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)其光熱性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，該聚光器在冬季將水加熱到95 ℃時(shí)，熱效率可達(dá)49.0%以上.Xuan等[13]提出了一種可與建筑南墻耦合的新型非對(duì)稱(chēng)CPC，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該CPC實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與光學(xué)仿真結(jié)果一致，當(dāng)入射角在0～60°范圍內(nèi)時(shí)，聚光器的光學(xué)效率可保持在90%左右.

此外，不少學(xué)者為了利用聚光光伏產(chǎn)生的廢熱，致力于太陽(yáng)能聚光光伏光熱(CPV/T)技術(shù)的研究，將太陽(yáng)能光伏光熱技術(shù)與CPC聚光技術(shù)進(jìn)行結(jié)合[14-15]，利用循環(huán)換熱介質(zhì)對(duì)聚光光伏組件進(jìn)行降溫以提高其光電轉(zhuǎn)換效率.為此有必要對(duì)太陽(yáng)能全光譜利用開(kāi)展研究.研發(fā)可有效提高全光譜太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換率的光熱轉(zhuǎn)換材料[16-17]和耦合不同太陽(yáng)能利用裝置的系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全光譜利用的有效方法[18].Zhou等[19]提出了一種由光伏-熱電/集熱(PV-TE/T)耦合構(gòu)成的新型全光譜太陽(yáng)能利用系統(tǒng)，為了證明PV-TE/T系統(tǒng)具有更好的性能，在相同環(huán)境條件下進(jìn)行了PV系統(tǒng)、串聯(lián)PV-TE系統(tǒng)與PV-TE/T系統(tǒng)的性能對(duì)比實(shí)驗(yàn).結(jié)果表明，晴天與多云天PV-TE/T系統(tǒng)的輸出功率比串聯(lián)PV-TE系統(tǒng)分別提高了11.2%和35.6%.Wang等[20]提出了一種可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全光譜利用的冷、熱、電聯(lián)合供能系統(tǒng).通過(guò)建立了各部件的熱力學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下的熱力學(xué)性能進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明，太陽(yáng)能利用率達(dá)到45.07%.

為了進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用效率，本文提出一種新型槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置，通過(guò)在入光口玻璃蓋板下增設(shè)多晶硅太陽(yáng)能電池，用于攔截吸收未被CPC接收體接收的光線(xiàn)，將逸出光線(xiàn)轉(zhuǎn)化為電能加以再利用，實(shí)現(xiàn)CPC內(nèi)入射光線(xiàn)光熱和光電的高效耦合供能，提高裝置輸出能源的品位和總量，提升裝置綜合利用效率.通過(guò)SolidWorks建立槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置三維模型，并將其導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件TracePro中，對(duì)其內(nèi)部傳輸光線(xiàn)進(jìn)行追跡，分析計(jì)算接收體表面能流密度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，搭建槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究太陽(yáng)輻照度對(duì)其進(jìn)出口溫差、輸出電功率等的影響.

1 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置及光學(xué)仿真

1.1 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置

槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，在裝置入光口AC處覆蓋玻璃蓋板1，在玻璃蓋板下增設(shè)兩塊雙面多晶硅太陽(yáng)能電池3，當(dāng)光線(xiàn)正入射時(shí)，入射到裝置反射面CD邊緣點(diǎn)的光線(xiàn)b和c經(jīng)反射后被玻璃管4內(nèi)接收體5接收，則其他入射光線(xiàn)均匯聚到接收體5上，入射到裝置底部反射面的光線(xiàn)a經(jīng)反射后也被接收體5接收.利用Solidworks建立裝置三維模型如圖1所示，本文研究所采用的槽式復(fù)合多曲面聚光器為文獻(xiàn)[21]中所設(shè)計(jì)的.

1.玻璃蓋板 2.槽式復(fù)合多曲面聚光器 3.雙面太陽(yáng)能電池 4.玻璃管 5.接收體 圖1 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置光學(xué)參數(shù)

槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置的聚光性能受光線(xiàn)入射偏角、接收體形狀、太陽(yáng)能電池尺寸與安裝位置、聚光器反射率等因素影響.利用光學(xué)仿真軟件可以直觀地得到裝置內(nèi)光線(xiàn)傳播情況，計(jì)算分析接收體表面能流密度分布規(guī)律.利用SolidWorks軟件建立槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置三維模型，然后將該模型導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件TracePro中，設(shè)置光源為200×500等距平行格點(diǎn)光源，輻射能量為700 W/m2，裝置參數(shù)如表1所示.

表1 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置建模參數(shù)

1.3 裝置光線(xiàn)追跡與仿真

槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置內(nèi)光線(xiàn)追跡與接收體能流密度分布如圖2所示.圖2(a)為入射偏角α=0°(正入射)時(shí)，聚光器內(nèi)的光線(xiàn)追跡與接收體表面能流密度分布情況，從圖中可以看出，進(jìn)入聚光器內(nèi)的光線(xiàn)均被玻璃管中接收體接收.此時(shí)接收體表面總光通量最大.圓柱形接收體表面能流密度呈對(duì)稱(chēng)分布，沿中心線(xiàn)能流密度最高，并從最高處向兩端急劇減小.圖2(b)為入射偏角α=4°時(shí)聚光器內(nèi)的光線(xiàn)追跡與接收體表面能流密度分布情況，進(jìn)入聚光器內(nèi)的多數(shù)光線(xiàn)被玻璃管內(nèi)接收體接收，逸出光線(xiàn)被太陽(yáng)能電池接收，接收體表面總光通量比正入射時(shí)小.此外，接收體能流密度分布不均勻，接收體左側(cè)能流密度最高，從左到右呈降低趨勢(shì)，靠近右側(cè)處略有升高，可以由光線(xiàn)追跡加以解釋?zhuān)河行〔糠秩肷涔饩€(xiàn)經(jīng)聚光器多次反射后被接收體右側(cè)接收.圖2(c)為入射偏角α=8°時(shí)聚光器內(nèi)的光線(xiàn)追跡與接收體表面能流密度分布情況，進(jìn)入聚光器內(nèi)的光線(xiàn)被玻璃管內(nèi)接收體和太陽(yáng)能電池接收，通過(guò)聚光器入光口逸出的光線(xiàn)極其少，接收體表面總光通量進(jìn)一步減小.圖2(d)為α=12°時(shí)聚光器內(nèi)的光線(xiàn)追跡與接收體表面能流密度分布情況，被太陽(yáng)能電池接收的逸出光線(xiàn)增多，經(jīng)聚光器入光口逸出的光線(xiàn)略有增加.此時(shí)接收體表面總光通量進(jìn)一步減小，這是由于被太陽(yáng)能電池接收的入射光線(xiàn)和經(jīng)聚光器反射逸出的入射光線(xiàn)增加共同導(dǎo)致的結(jié)果.值得注意的是，接收體表面能流密度分布為中間略低，左右兩側(cè)較高，相比上述幾種情況，此時(shí)玻璃管內(nèi)接收體表面能流密度分布較均勻.

圖2 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置不同入射偏角的光線(xiàn)追跡與接收體能流密度

2 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測(cè)試

基于槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置光學(xué)分析結(jié)果，在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)示范基地(N40°50′，E111°42′)搭建槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)際天氣條件下，研究太陽(yáng)輻照度對(duì)裝置進(jìn)出口溫差、輸出電功率等的影響，為槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置在實(shí)際工農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考.

2.1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示.試驗(yàn)中，測(cè)試數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、太陽(yáng)能電池輸出功率、換熱空氣進(jìn)出口溫度、換熱空氣流速等.其中，太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)能電池輸出功率由太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)(TRM-FD1，錦州陽(yáng)光氣象科技有限公司，錦州)實(shí)時(shí)采集，測(cè)試系統(tǒng)用負(fù)載為滑線(xiàn)變阻器.各測(cè)點(diǎn)溫度由K型熱電偶測(cè)量(測(cè)試精度為±0.5 ℃)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)多通道溫度巡檢儀(Sin-R6000C，杭州聯(lián)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)有限公司，杭州)記錄.在聚光器腔內(nèi)沿玻璃蓋板法線(xiàn)方向等距布置兩個(gè)K型熱電偶，在玻璃管內(nèi)布置熱線(xiàn)式風(fēng)速計(jì)(TES-1340，泰仕電子工業(yè)有限公司，臺(tái)灣)，空氣循環(huán)由耐高溫離心風(fēng)機(jī)(DZ160，廣州市鑫風(fēng)風(fēng)機(jī)有限公司，廣州)驅(qū)動(dòng)，其中，換熱空氣出口溫度為位于玻璃管出口處沿徑向等距布置的多個(gè)K型熱電偶測(cè)量平均值.

1.輻照度計(jì)；2.熱空氣出口；3.玻璃蓋板；4.測(cè)試臺(tái)架；5.槽式復(fù)合多曲面聚光器；6.接收體；7.太陽(yáng)能電池板；8.可調(diào)支架；9.冷空氣入口；10.風(fēng)機(jī)；11.熱線(xiàn)風(fēng)速儀；12.溫度巡檢儀；13.環(huán)境測(cè)溫點(diǎn)；14.熱電偶；15.滑線(xiàn)變阻器；16.導(dǎo)線(xiàn)；17.萬(wàn)用表圖3 槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測(cè)試系統(tǒng)圖

測(cè)試前，對(duì)所使用的多晶硅太陽(yáng)能電池、滑線(xiàn)變阻器、K型熱電偶及其他測(cè)試儀器進(jìn)行校核，選擇晴好天氣進(jìn)行測(cè)試，換熱空氣流速約為2.89 m/s.測(cè)試中，為了更好地評(píng)價(jià)裝置的性能，本文引入了太陽(yáng)能綜合利用效率，其計(jì)算如公式(1)所示：

(1)

公式中：Qt為接收體集熱量，W；P為太陽(yáng)能電池發(fā)電功率，W；Isun為聚光器入光口處太陽(yáng)輻照度，W/m2；A為聚光器入光口面積，m2；m為接收體內(nèi)換熱空氣質(zhì)量流量，kg/s；cp為對(duì)應(yīng)運(yùn)行溫度下空氣比熱容，J/kg·K；tin、tout為接收體進(jìn)出口空氣溫度值，K；U為太陽(yáng)能電池輸出電壓，V；I為太陽(yáng)能電池工作電流，A.

2.2 結(jié)果與分析

測(cè)試在晴好天氣開(kāi)展，測(cè)試時(shí)間選擇11：00—13：00，槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置東西放置，安裝傾角調(diào)整為43°，保證入射太陽(yáng)光正午時(shí)分為正入射，其中，在裝置內(nèi)增設(shè)的上部太陽(yáng)能電池由兩塊板背貼合在一起的多晶硅太陽(yáng)能電池組成，遠(yuǎn)離裝置對(duì)稱(chēng)軸的太陽(yáng)能電池標(biāo)定為1號(hào)，接近裝置對(duì)稱(chēng)軸的太陽(yáng)能電池標(biāo)定為2號(hào)，分別測(cè)試裝置玻璃管進(jìn)出口溫度、兩塊太陽(yáng)能電池發(fā)電功率和環(huán)境溫度.測(cè)試日太陽(yáng)輻照度和環(huán)境溫度如圖4所示，裝置內(nèi)玻璃管進(jìn)出口溫差變化如圖5所示.

圖4 太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度變化圖5 裝置進(jìn)出口溫差隨測(cè)試時(shí)間變化

從圖5可以看出，隨著測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)，裝置內(nèi)玻璃管進(jìn)出口溫差呈先增加后減小的趨勢(shì)，與太陽(yáng)輻照度變化趨勢(shì)一致.在12：10左右，進(jìn)出口溫差達(dá)到最大值為14.1 ℃，之后隨著太陽(yáng)輻照度值的減小，以及太陽(yáng)光入射偏角的增大而減小.在其測(cè)試期間，進(jìn)入裝置的未被玻璃管內(nèi)接收體接收的太陽(yáng)光會(huì)被多晶硅太陽(yáng)能電池接收，對(duì)外輸出電能，裝置內(nèi)1號(hào)和2號(hào)多晶硅太陽(yáng)能電池輸出電功率隨測(cè)試時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖6所示.

圖6 太陽(yáng)能電池發(fā)電功率隨測(cè)試時(shí)間變化

從圖6中可以看出，1號(hào)太陽(yáng)能電池發(fā)電功率小于2號(hào)太陽(yáng)能電池發(fā)電功率，這與光學(xué)仿真結(jié)果是一致的，且二者在11：00—11：45期間發(fā)電功率大于12：00—13：00期間發(fā)電功率，2號(hào)太陽(yáng)能電池在11：45發(fā)電功率達(dá)到最大，為1.18 W，比1號(hào)太陽(yáng)能電池高0.48 W.主要是由于太陽(yáng)光非正入射時(shí)，未被接收體接收的太陽(yáng)光線(xiàn)會(huì)被太陽(yáng)能電池接收，造成太陽(yáng)能電池發(fā)電功率變大，當(dāng)太陽(yáng)光正入射時(shí)，太陽(yáng)能電池接收的光線(xiàn)減少，則太陽(yáng)能電池發(fā)電功率減小.也就說(shuō)明槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置可以有效將逸出光線(xiàn)轉(zhuǎn)化為電能，提高了裝置非追日狀態(tài)下總的輸出能量，其綜合利用效率最大為75.4%，平均綜合利用效率為66.54%.

4 結(jié) 論

為了提高非追日狀態(tài)下，槽式復(fù)合多曲面聚光器的總輸出能量和綜合利用效率，本文提出一種槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置.利用光學(xué)仿真軟件TracePro對(duì)不同入射偏角條件下裝置內(nèi)光線(xiàn)進(jìn)行追跡，計(jì)算分析了接收體表面能流密度變化趨勢(shì).在仿真分析的基礎(chǔ)上，搭建槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái).在實(shí)際天氣條件下對(duì)裝置進(jìn)出口溫差、太陽(yáng)能電池發(fā)電功率等隨太陽(yáng)輻照度的變化規(guī)律進(jìn)行研究.得到以下結(jié)論：

(1)光學(xué)仿真結(jié)果顯示，在聚光器玻璃蓋板內(nèi)側(cè)增設(shè)硅基太陽(yáng)能電池可有效減少經(jīng)聚光器反射而逸出的光線(xiàn)，當(dāng)入射偏角為12°時(shí)，僅有少量光線(xiàn)通過(guò)入光口逸出.

(2)在晴好天氣，循環(huán)空氣流速為2.89 m/s時(shí)，槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置進(jìn)出口溫差變化趨勢(shì)與太陽(yáng)輻照度一致，進(jìn)出口溫差最高為14.1 ℃.

(3)槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置內(nèi)多晶硅太陽(yáng)能電池在太陽(yáng)光線(xiàn)非正入射時(shí)的發(fā)電功率大于正入射時(shí)發(fā)電功率，裝置綜合利用效率最大為75.4%.