郭帥軍，劉雪東，姜洪峰，常澤輝，3

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學太陽能應用技術(shù)工程中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

太陽能以其清潔無污染、儲量巨大、分布廣泛等特點被認為是最有應用前景的可再生能源之一，并在21世紀的節(jié)能降耗中發(fā)揮重要的作用[1].太陽能的利用包括太陽能光熱、光電、光化學、光生物等方式.目前，太陽能資源最有效的利用方式是太陽能光熱利用和光伏發(fā)電[2-3].但是太陽能自身具有能流密度低，光照時間不連續(xù)等缺陷又限制了其規(guī)模化利用.為此，研究學者設(shè)計發(fā)明了太陽能聚光器，如復合多曲面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)、碟式聚光器、線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達到提高太陽能利用效率的目的[4].其中，CPC因其接收半角大、可接收直射光和部分散射光、對跟蹤精度要求低等優(yōu)點受到國內(nèi)外學者的持續(xù)關(guān)注[5].

復合多曲面聚光器是由美國科學家Winston等根據(jù)邊緣光學原理設(shè)計的一種可將入射偏角小于聚光器接收半角的太陽光線匯聚到接收體上的非成像聚光器[6].之后，研究人員通過理論分析、光學仿真、試驗測試等方法分別對CPC結(jié)構(gòu)、接收體及其應用進行了優(yōu)化與研究.Ustaoglu等[7]通過理論分析與試驗測試研究了截短聚光器高度對其光熱效率的影響，結(jié)果表明，當聚光器截短50%后，光學效率沒有明顯變化，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，通過光學仿真與試驗測試得出：該新型CPC的入射半角最大可至75°，且入射偏角超過接收半角后，仍可實現(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稱復合平面型反射聚光器，利用光學仿真軟件分析了光學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)計角時具有相同的光學效率，達到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，并對其熱性能進行了理論和試驗研究，結(jié)果表明，在循環(huán)換熱介質(zhì)體積流速為320 m3/h、輻射強度為799 W/m2、環(huán)境溫度為28.8 ℃時，該聚光集熱器的平均效率約為61%.常澤輝等[11]通過理論分析和試驗測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聚光器性能的影響，結(jié)果表明，晴天光線正入射、平板接收體與入射光線平行布置時，聚光器平均集熱效率為55.49%，比接收體垂直入射光線布置時的平均集熱效率增加了32.32%.當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，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維費用.此外，CPC在太陽能集熱領(lǐng)域得到了很好的應用，裴剛等[12]介紹了一種用于太陽能熱水器系統(tǒng)的CPC，通過試驗測試對其光熱性能進行研究，結(jié)果表明，該聚光器在冬季將水加熱到95 ℃時，熱效率可達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稱CPC，通過研究發(fā)現(xiàn)該CPC實驗測試結(jié)果與光學仿真結(jié)果一致，當入射角在0～60°范圍內(nèi)時，聚光器的光學效率可保持在90%左右.

此外，不少學者為了利用聚光光伏產(chǎn)生的廢熱，致力于太陽能聚光光伏光熱(CPV/T)技術(shù)的研究，將太陽能光伏光熱技術(shù)與CPC聚光技術(shù)進行結(jié)合[14-15]，利用循環(huán)換熱介質(zhì)對聚光光伏組件進行降溫以提高其光電轉(zhuǎn)換效率.為此有必要對太陽能全光譜利用開展研究.研發(fā)可有效提高全光譜太陽光轉(zhuǎn)換率的光熱轉(zhuǎn)換材料[16-17]和耦合不同太陽能利用裝置的系統(tǒng)是實現(xiàn)太陽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)的性能對比實驗.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]提出了一種可實現(xiàn)太陽能全光譜利用的冷、熱、電聯(lián)合供能系統(tǒng).通過建立了各部件的熱力學模型，對系統(tǒng)在設(shè)計工況下的熱力學性能進行了模擬分析，結(jié)果表明，太陽能利用率達到45.07%.

為了進一步提高太陽能利用效率，本文提出一種新型槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置，通過在入光口玻璃蓋板下增設(shè)多晶硅太陽能電池，用于攔截吸收未被CPC接收體接收的光線，將逸出光線轉(zhuǎn)化為電能加以再利用，實現(xiàn)CPC內(nèi)入射光線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SolidWorks建立槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置三維模型，并將其導入光學仿真軟件TracePro中，對其內(nèi)部傳輸光線進行追跡，分析計算接收體表面能流密度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，搭建槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測試實驗臺，研究太陽輻照度對其進出口溫差、輸出電功率等的影響.

1 槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置及光學仿真

1.1 槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置

槽式復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能電池3，當光線正入射時，入射到裝置反射面CD邊緣點的光線b和c經(jīng)反射后被玻璃管4內(nèi)接收體5接收，則其他入射光線均匯聚到接收體5上，入射到裝置底部反射面的光線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合多曲面聚光器為文獻[21]中所設(shè)計的.

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

1.2 槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置光學參數(shù)

槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置的聚光性能受光線入射偏角、接收體形狀、太陽能電池尺寸與安裝位置、聚光器反射率等因素影響.利用光學仿真軟件可以直觀地得到裝置內(nèi)光線傳播情況，計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，然后將該模型導入到光學仿真軟件TracePro中，設(shè)置光源為200×500等距平行格點光源，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 裝置光線追跡與仿真

槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置內(nèi)光線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，聚光器內(nèi)的光線追跡與接收體表面能流密度分布情況，從圖中可以看出，進入聚光器內(nèi)的光線均被玻璃管中接收體接收.此時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稱分布，沿中心線能流密度最高，并從最高處向兩端急劇減小.圖2(b)為入射偏角α=4°時聚光器內(nèi)的光線追跡與接收體表面能流密度分布情況，進入聚光器內(nèi)的多數(shù)光線被玻璃管內(nèi)接收體接收，逸出光線被太陽能電池接收，接收體表面總光通量比正入射時小.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，靠近右側(cè)處略有升高，可以由光線追跡加以解釋：有小部分入射光線經(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°時聚光器內(nèi)的光線追跡與接收體表面能流密度分布情況，進入聚光器內(nèi)的光線被玻璃管內(nèi)接收體和太陽能電池接收，通過聚光器入光口逸出的光線極其少，接收體表面總光通量進一步減小.圖2(d)為α=12°時聚光器內(nèi)的光線追跡與接收體表面能流密度分布情況，被太陽能電池接收的逸出光線增多，經(jīng)聚光器入光口逸出的光線略有增加.此時接收體表面總光通量進一步減小，這是由于被太陽能電池接收的入射光線和經(jīng)聚光器反射逸出的入射光線增加共同導致的結(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，此時玻璃管內(nèi)接收體表面能流密度分布較均勻.

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

2 槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測試

基于槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置光學分析結(jié)果，在內(nèi)蒙古工業(yè)大學太陽能光熱產(chǎn)業(yè)示范基地(N40°50′，E111°42′)搭建槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測試實驗臺，在實際天氣條件下，研究太陽輻照度對裝置進出口溫差、輸出電功率等的影響，為槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置在實際工農(nóng)業(yè)應用提供測試數(shù)據(jù)和實驗參考.

2.1 試驗測試系統(tǒng)

槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測試系統(tǒng)如圖3所示.試驗中，測試數(shù)據(jù)包括太陽輻照度、環(huán)境溫度、太陽能電池輸出功率、換熱空氣進出口溫度、換熱空氣流速等.其中，太陽輻照度、太陽能電池輸出功率由太陽能發(fā)電監(jiān)測站系統(tǒng)(TRM-FD1，錦州陽光氣象科技有限公司，錦州)實時采集，測試系統(tǒng)用負載為滑線變阻器.各測點溫度由K型熱電偶測量(測試精度為±0.5 ℃)，實時數(shù)據(jù)通過多通道溫度巡檢儀(Sin-R6000C，杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司，杭州)記錄.在聚光器腔內(nèi)沿玻璃蓋板法線方向等距布置兩個K型熱電偶，在玻璃管內(nèi)布置熱線式風速計(TES-1340，泰仕電子工業(yè)有限公司，臺灣)，空氣循環(huán)由耐高溫離心風機(DZ160，廣州市鑫風風機有限公司，廣州)驅(qū)動，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K型熱電偶測量平均值.

1.輻照度計；2.熱空氣出口；3.玻璃蓋板；4.測試臺架；5.槽式復合多曲面聚光器；6.接收體；7.太陽能電池板；8.可調(diào)支架；9.冷空氣入口；10.風機；11.熱線風速儀；12.溫度巡檢儀；13.環(huán)境測溫點；14.熱電偶；15.滑線變阻器；16.導線；17.萬用表圖3 槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測試系統(tǒng)圖

測試前，對所使用的多晶硅太陽能電池、滑線變阻器、K型熱電偶及其他測試儀器進行校核，選擇晴好天氣進行測試，換熱空氣流速約為2.89 m/s.測試中，為了更好地評價裝置的性能，本文引入了太陽能綜合利用效率，其計算如公式(1)所示：

(1)

公式中：Qt為接收體集熱量，W；P為太陽能電池發(fā)電功率，W；Isun為聚光器入光口處太陽輻照度，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為對應運行溫度下空氣比熱容，J/kg·K；tin、tout為接收體進出口空氣溫度值，K；U為太陽能電池輸出電壓，V；I為太陽能電池工作電流，A.

2.2 結(jié)果與分析

測試在晴好天氣開展，測試時間選擇11：00—13：00，槽式復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°，保證入射太陽光正午時分為正入射，其中，在裝置內(nèi)增設(shè)的上部太陽能電池由兩塊板背貼合在一起的多晶硅太陽能電池組成，遠離裝置對稱軸的太陽能電池標定為1號，接近裝置對稱軸的太陽能電池標定為2號，分別測試裝置玻璃管進出口溫度、兩塊太陽能電池發(fā)電功率和環(huán)境溫度.測試日太陽輻照度和環(huán)境溫度如圖4所示，裝置內(nèi)玻璃管進出口溫差變化如圖5所示.

圖4 太陽輻照度、環(huán)境溫度變化圖5 裝置進出口溫差隨測試時間變化

從圖5可以看出，隨著測試時間延長，裝置內(nèi)玻璃管進出口溫差呈先增加后減小的趨勢，與太陽輻照度變化趨勢一致.在12：10左右，進出口溫差達到最大值為14.1 ℃，之后隨著太陽輻照度值的減小，以及太陽光入射偏角的增大而減小.在其測試期間，進入裝置的未被玻璃管內(nèi)接收體接收的太陽光會被多晶硅太陽能電池接收，對外輸出電能，裝置內(nèi)1號和2號多晶硅太陽能電池輸出電功率隨測試時間變化曲線如圖6所示.

圖6 太陽能電池發(fā)電功率隨測試時間變化

從圖6中可以看出，1號太陽能電池發(fā)電功率小于2號太陽能電池發(fā)電功率，這與光學仿真結(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號太陽能電池在11：45發(fā)電功率達到最大，為1.18 W，比1號太陽能電池高0.48 W.主要是由于太陽光非正入射時，未被接收體接收的太陽光線會被太陽能電池接收，造成太陽能電池發(fā)電功率變大，當太陽光正入射時，太陽能電池接收的光線減少，則太陽能電池發(fā)電功率減小.也就說明槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置可以有效將逸出光線轉(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合多曲面聚光光伏光熱供能裝置.利用光學仿真軟件TracePro對不同入射偏角條件下裝置內(nèi)光線進行追跡，計算分析了接收體表面能流密度變化趨勢.在仿真分析的基礎(chǔ)上，搭建槽式復合多曲面聚光光伏光熱供能裝置性能測試實驗臺.在實際天氣條件下對裝置進出口溫差、太陽能電池發(fā)電功率等隨太陽輻照度的變化規(guī)律進行研究.得到以下結(jié)論：

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

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

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