石英管参数对基于液体过滤分频光热光电系统光学性能的影响

张 洁，安 巍，朱 彤，高乃平，姜熙成

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804；2.朝鲜平壤建筑综合大学，朝鲜)

0 引言

目前人们对太阳能的利用主要分为光热、光电、光化学、光生物等形式。在长期的研究中，许多学者意识到：单一太阳能利用方式的利用效率总是有限的，而多种利用方式共存的耦合过程是提高太阳能利用效率的有效途径。因而，太阳能光热光电混合系统(Hybrid Photovaltic /Thermal System，PV/T)受到了广泛的关注[1-3]。

然而，在传统的PV/T系统中，光热产物的温度受制于光伏电池的许用温度，一般只有40-50℃，属于品位不高的废热[4]。为提高热能品位，有研究者提出太阳能分频利用技术[5]。在这一技术中，太阳的辐射能可通过固体或液体的分频过滤器在光谱范围上分为光电和光热两个独立的单元，从而使光热单元温度不再受制于光伏电池的许用温度，获得温度较高的中温流体。这种中温流体不再是废热，可通过斯特林循环、有机朗肯循环等技术再次转化为电能。同时，光热单元吸收光热波段的能量，有效控制了光伏电池表面温度。

在基于液体过滤分频光热光电系统中，石英管的几何参数直接影响石英管表面因反射而造成的能量损失以及光伏电池表面光斑的均匀性。光斑越均匀，光电转换效率越高[6]。因此，石英管参数对系统性能有重要的影响。

本文针对这一问题展开研究，利用蒙特卡洛法(Monte Carlo Method)，对基于液体过滤分频光热光电系统的光学性能进行仿真，并分析石英管参数对光学性能的影响机理。

1 系统结构及工作原理

如图1所示，基于液体过滤分频光热光电混合利用系统，包括聚光单元、光热单元以及光电单元。聚光单元、光热单元和光电单元沿太阳光方向从上到下依次设置。其中，聚光单元为菲涅尔线聚光透镜，它将太阳光先汇聚到光热单元，光热单元的石英管内为分频流体，分频流体将辐射能中光热利用波段的能量转化为光热产物，剩余光电波段的能量透射到光电单元，进行光电转化。光电单元布置在方形铝管上，铝管与光热单元连通，分频流体先流经光电单元背部的铝管，这既是对光电单元的冷却，同时也是对光热单元的预热，被预热的分频流体从铝管中流出后又流入光热单元进行对太阳光的分频，与此同时被进一步加热为高温流体。

图1 聚光光热光电分频利用系统Fig.1 Concentrated photovoltaic-thermal hybrid system

2 建立模型

2.1 性能参数

表征本系统光学性能主要有几何聚光比、透光效率以及光斑均匀度三个参数，其定义如下：

几何聚光比C为入射面面积与接收面面积的比值，本系统中为菲涅尔透镜面积与光伏电池面积的比值。

式中，F1为入射面的面积，F2为接收面的面积。

透光效率ε为入射面光通量与接收面光通量的比值，本系统中为入射到菲涅尔透镜上的光通量与光伏电池接收到光通量的比值。

式中，q1为入射面上的光通量，q2为接收面上的光通量。

光斑均匀度ΔE用来衡量电池表面光斑的均匀性，如式3所示为最大光照强度与平均光照强度的函数，ΔE越大，光斑越均匀[7]。

式中，ΔEmax为表面最大光照强度，ΔEmean为表面平均光照强度。

2.2 实体模型

本文利用TracPro仿真软件对基于液体过滤分频光热光电混合利用系统进行光学模拟。TracePro是一种基于蒙特卡洛法的非序列光线追迹软件，其仿真步骤为：（1）建立实体模型；（2）定义材料及表面属性；（3）设置格点光源；（4）光线追迹[8]。建模如下：

表1 系统建模Table 1 System modeling

其中，菲涅尔聚光器为线形聚焦，PMMA为树脂材料聚甲基丙烯酸甲酯，具有高透明度的特点；光热单元石英管形状为圆形管与方形管两种，管径为10 mm、12 mm、14 mm、16 mm四种；石英管表面反射率随入射角度变化[9]，关系如图2所示，入射角在0°到20°之间反射率为0.11，在20°到55°之间反射率为 0.09，大于 55°反射率急剧增加。此外，系统的几何聚光比 C为 15；格点光线数量为2.5×105，格点光源光照强度为800 W/m2。

图2 石英管表面反射率随角度的变化Fig.2 Correlation between reflectivity of the quartz tube surface and incidence angle

3石英管参数对光学性能的影响

3.1 几何尺寸对光学性能的影响

图3 光路模型 (a) 圆管，(b) 方管Fig.3 Optical model (a) circle, (b) square

图4 接收面光强分布云图(归一化）Fig.4 Light intensity contours of receiving surface (normalized)

由图4可见，圆管工况中接收面上光带中间的亮度小于光带两侧的亮度，而方管工况中光带中间的亮度却大于光带两侧的亮度。圆管工况接收面光带中间亮度低于光带两侧亮度是由线形菲涅尔聚光器结构造成的。方管工况光带中间亮度大于光带两侧的亮度可以用布格尔定律[10]解释：

根据布格尔定律，光谱辐射强度沿传递行程按指数规律衰减：

式中 Iλ,L为x=L处光谱辐射强度，Iλ,0为x=0处光谱辐射强度，βλ(x )为在位置x处光谱衰减系数，单位为1/m，负号表示减少。

βλ(x )为正值，Iλ,L随L的增大而减小。因此，在太阳辐照强度不变、分频流体相同的条件下，光线在流体中穿过的距离越大，辐射能衰减越多，即光程越大，辐射能损失越多。由图5可知，在圆管中，各个方向光线均垂直入射圆管，光程相同（即A1B1= C1D1= E1F1）。但是在方管中，从两侧斜入射光线（A2B2, E2F2）的光程大于从中间垂直入射光线（C2D2）的光程，中间辐射能衰减较少而两侧辐射能衰减较多，因此，两侧光照强度大于中间的光照强度。

图5 石英管内光路图 (a) 圆管，(b) 方管Fig.5 Optical paths in quartz tubes (a) circle, (b) square

此外，由图6可见，在管径相同的条件下，圆管工况接收面的光斑比方管工况接收面的光斑均匀。随着光热单元管径增加，透光效率降低，光斑均匀性无明显变化。透光效率的降低同样可用布格尔定律做解释，光程随管径的增加而增加，辐射能在管内的能量损失增大。

图6 透光效率与光斑均匀性随管径的变化Fig.6 Light efficiency and uniformity changing with diameters

3.2 真空层对性能的影响

为减小石英管内流体与外界的散热损失，提高光热单元产物温度，可在石英管内外壁面之间布置真空层。在当前的模型中，内外壁面以及真空层的厚度均设为1 mm。以管径为10 mm的圆形管与方形管为例进行研究，加真空层石英管的横截面及接收面光强分布如图7所示。

由图7及表2的结果可见，在光热单元石英管内外壁面之间布置真空层后，光斑均匀性基本无变化，但圆形管工况与方形管工况的透光效率分别降低14.90%与14.68%，辐射能量损失较多。如果采用此种方法进行保温，建议在石英管表面镀上防反射膜，降低因反射而损失的能量。

比较布置真空层后圆形管工况与方形管工况的透光效率，分别为56.79%与56.97%，圆形管工况的透光效率却比方形管工况的透光效率略低。这是因为辐射能损失主要分为石英管表面反射与石英管内流体吸收两部分，布置真空层后反射面增多，由反射导致的辐射能损失比例增大，由流体内部吸收而造成的辐射能损失比例降低。圆形管表面光线均垂直入射，反射率均为0.11。方形管表面光线入射角度在0°～27°之间，其中，光线入射角在0°到 20°之间，反射率为 0.11，光线入射角在 20°到27°之间反射率为0.09。因此，方形管工况中因反射导致的能量损失较少，透光效率相对较大。

图7接收面光强分布云图(归一化)Fig.7 Light intensity contours of receiving surface

表2 真空层对光学性能的影响Table 2 Effect of vacuum layer on the optical performance

4 结论

本文利用蒙特卡洛法对基于菲涅尔聚光器的液体过滤分频光热光电利用系统的光学性能进行模拟，重点研究了石英管的几何参数对透光效率及接收面光斑均匀性的影响，得到以下结论：

1)圆形管工况与方形管工况相比，圆形管工况下接收面的光斑更均匀性，透光效率更大；

2)随管径的增加，光斑均匀性无明显变化，透光效率降低；

3)在石英管内外壁面之间布置真空层，光斑均匀性基本无变化，透光效率降低显著。

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