太阳能高倍聚光光伏电——热联产复合系统的研究

汤迪 钱耀 唐自豪 陈明 周平旺 李鹏

（武汉理工大学机电工程学院 湖北武汉 430070）

1 概述

太阳能由于清洁无污染、取之不尽且总量巨大，是一种很好的可再生能源。目前商用的光伏电池组件的光电转换效率通常只有6%到15%，其余的大部分转化成热能，一部分散失到环境中去，另一部分则导致电池温度升高、发电效率降低。为提高太阳能综合利用效率、降低发电系统的成本、解决光伏电池的冷却问题，国内外学者[1,2]提出了太阳能光伏/光热综合利用(PV/T)的思想，即在光伏组件的背面铺设流道，通过流体带走耗散热能，并对这部分热能加以收集利用,大大提高了太阳能的综合利用率。近年来聚光太阳能光电-光热综合利用复合（CPV/T）系统的研究逐渐受到重视[3]。

2 热管式CPV/T 系统的理论研究

热管式CPV/T系统的核心组成部件是热管式CPV/T“组件”。每一个组件由12个热管式CPV/T“单元”组成，每个单元通过通有冷却水的水管串联在一起。太阳光通过菲涅尔透镜聚光后投射在两个聚光太阳能电池上。电池通过导热贴粘接在冷却块上，冷却块的分别紧密装配在热管的两端（即热管的蒸发段）。热管的中间段（冷凝段）穿过通有循环冷却水的水管。一部分太阳能被电池转化为电能，其它无法转化的“废热”会通过聚光太阳能电池传递给冷却块，在由冷却块传递给热管的蒸发段，通过热管将“废热”释放给热管外部循环的冷却水。为了减少热损失，在冷却块、热管、水管的外表面包裹有绝热材料。

2.1 热管式CPV/T 单元的性能描述

光热复合单元安装在双轴太阳能跟踪器上，投射在光热复合单元上的总能量可用式表示：

ηopt为菲涅尔透镜的光学效率；f 是跟踪系统的跟踪误差；为某一时刻太阳直射辐照DNI的强度。

热管式CPV/T单元的发电功率可表示为：

ηopt为聚光太阳能电池的效率。

因此，光热复合单元的发电效率可表示为：

由于热对流，热辐射原因，通过电池基板上表面会产生热损失，应用热平衡定律，通过热管式CPV/T单元的热功率可表示为：

因此，“单元”的热效率可表示为：

3 热管式CPV/T 系统的全天性能分析

我们以受光面积为18.75m2、聚光比为1000、冷却水的流量为4.8L/min，水箱中冷却水总体积为1500L的热管式CPV/T系统为研究对象，对该系统的全天（夏至日8:00到17:00）性能进行数值模拟仿真。该热管式CPV/T系统在良好天气条件下运行一天，能够产生1500L热水和约为22kW·h的电能。该系统的发电效率全天维持在26%到28%，热效率维持在45.5%到46.5%。系统的综合效率能达到72%。

4 热管式CPV/T 系统的成本分析

以一个受光面积为18.15m2的热管式CPV/T系统为例，该系统的建造成本约为$10000。若某地区年均直射辐照能量为1300kW·h/(m2/a)，中国光伏发电的“上网电价”约为0.16$/kW·h，热水的价格约为4.8$/t，全年的收益约为$1200。系统的回收期随系统的聚光比的增加而缩短。聚光比为800或者1000的热管式CPV/T系统回收期在10年以内。

5 结语

本文建立了一种热管式CPV/T系统的数学模型，基于该数学模型，分析了该系统在良好天气条件下一天的性能变化。该系统的发电效率全天维持在26%到28%，热效率维持在45.5%到46.5%。系统的综合效率能达到72%。该系统的回收期限与传统的PV/T系统差距不大。但如果借鉴Huang对传统PV/T系统的评价方法来评价该热管式CPV/T系统的性能，该系统的综合效率可达113%，大大高于传统的PV/T系统（约为60%）和太阳能热水器（低于50%）。

[1]吴双应，张巧玲，肖兰，等.采用热管冷却技术的太阳能光伏电-热一体化系统性能分析.中国电机工程学报.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.