基于复合曲面的太阳能光伏光热一体化利用方案

张信韬

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

基于复合曲面的太阳能光伏光热一体化利用方案

张信韬

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

为了提高太阳能的利用率，同时将电力和热能的产出与家庭的实际需求相匹配，提出一种基于复合曲面的太阳能光伏光热一体化利用方案。采用复合曲面设计，实现聚光区的上、下平行双面聚光［2］。在此基础上，提出了太阳能电池板-扁盒式集热器-平板型太阳能集热器一体化（PV/T）系统的利用方案［1］，实现：太阳能电池板处于聚光器的上表面聚光区，生产电能；平板型太阳能集热器处于聚光器的下表面，生产热水；在太阳能电池板和平板型太阳能集热器之间采用扁平集热器，可对电池板降温实现对热能的梯度利用。研究结果表明，其太阳能光学效率达99.04%，其中电部分太阳能光学效率为85.20%，直接产热太阳能光学效率为13.84%，对应的光伏发电效率为12.78%，直接光热效率为12.14%，间接光热效率为43.45%，太阳能的能量利用率高，其高效的产电能力和出色的产热能力适宜普通家庭的实际需求。

复合曲面 太阳能 光伏光热

目前晶硅电池转换效率约为10%～17%，而83%以上的太阳能未能被有效利用，其中相当一部分能量转化为热能，使光伏电池温度升高，导致光伏电池效率下降。为了使光伏电池效率保持在较高水平，有人提出用水或空气作为载热介质的电热联用一体化的理念［4］，这种同时提供电、热能的系统即为光伏/光热系统（PV/T）。

聚光型PV/T系统光电功率高且流体热流密度较高一直是国内外研究得重点，但目前无论是聚光型光伏/光热系统还是普通光伏/光热系统，一方面其系统的热利用效率在针对家庭的实际使用还有改进空间，另一方面其对电池板的降温与热能的转化利用的衔接还有需要优化的地方；本文提出的基于复合曲面的太阳能光伏光热一体化利用方案针对上述问题做了一定研究，以期为太阳能的高效利用、家庭化利用提供参考。

1　光伏光热一体化利用装置的结构及工作原理

在复合曲面的上半部分，入射的太阳光线一部分被汇集到上平面聚光区，被装在此处的电池板利用。另一部分太阳光线直射或被复合曲面的上半部分一次反射到下方的渐开线面。然后被渐开线面汇集到下平面聚光区，被装在此处的平板型太阳能集热器利用。

我们在上述新型聚光器结构的设计基础上，在电池板的下方和平板式太阳能集热器的上方安装PV/T模块。如图一所示，我们将光伏电池组件均匀布满全铝扁盒式集热板表面，使用导热硅胶均匀涂布在电池板和集热板之间。将自然水通入集热管道内，与电池板进行热交换，降低电池温度，提高发电效率，构建扁盒式集热器。

这种集热板由若干条全铝集热型条榫接而成。每个集热型条中有3个液体流道，流体与吸热表面的接触面积大，传热效果好，还可自由拼凑。导热硅胶片可以很好的填充接触面的间隙，将空气（热的不良导体）挤出接触面，使电池板面和集热板更好的充分接触。

热利用部分的水箱分低温水箱和高温水箱，低温水箱与扁平集热器相连，利用高度差实现主动闭循环，保证扁平集热器对太阳能电池板降温的稳定性，高温水箱与平板型太阳能集热器相连，同时，高温水箱提供生活用水，低温水箱及时为高温水箱补水，低温水箱与供水管相连。构成：生活冷水-低温水箱-扁盒式集热器-低温水箱-高温水箱-平板型太阳能集热器-高温水箱-生活热水的循环系统。

2　性能验证和测试

2.1基于复合曲面的太阳能光伏光热一体化利用方案的仿真验证

利用SolidWorks的方程曲线控制设计出了我们的光伏光热一体化利用方案的三维模型，将该模型导入Tracepro进行光学性质验证［3］，我们验证光线以中间接收角射入时的光学效果。分析结果得知，当我们入射光线总辐射光通量值为10000W时，上板接收辐照的光通量值为6722.5W，下板接收的辐照光通量值为2669.2W。

2.2性能测试与效率计算

太阳能光学效率η1：

电部分太阳能光学效率η2：

直接产热太阳能光学效率η3：

通过测试，在扁盒集热器的降温效果下，多晶硅太阳能电池板的发电效率稳定在15%，则系统的太阳能光伏发电效率η4：

由于平板型太阳能集热器的水来自于扁盒集热器的连接水箱，水温较恒定，产热效率能稳定在95%，则系统的太阳能直接光热效率η5：

通过测试，扁盒式集热器对电池板降温效果较好，对于多晶硅太阳能电池板不能利用的85%的废热，其热能转化率达到65%，则系统的太阳能间接光热效率η6：

即太阳能的综合热利用效率η7：

3　结语

（1）本文阐述了基于复合曲面的太阳能光伏光热一体化利用方案的结构及工作原理，其太阳能电池板-扁盒式集热器-平板型太阳能集热器一体化（PV/T）系统，对太阳光能进行分层利用，结构紧凑，适合普通家庭的实际需求。热利用的循环水系统。将对对电池板的降温与热能的转化利用的衔接采用能量梯度利用的方案，保证电池板的有效降温的同时，热利用效率提高明显。（2）本文进行了性能验证和测试相关阐述，光伏发电效率在聚光器的使用下，能始终稳定在10.08%，产电能力高效。光热综合效率高达62.5%，相较传统的PV /T系统，光热利用更能适合普通家庭的实际需求，便于光伏光热一体化利用系统的推广。

［1］陈洪亮，郑振宏，吴文.FPV-CPC集热器光学性能［J］.太阳能学报，1987，02：129-135.

［2］汪乐，张树生，翟静.基于复合式抛物面聚光器的LED反光杯建模研究［J］.激光与光电子学进展，2012，v.49；No.56110：159-164.

［3］吴义超.基于TracePro与SpecWinLight的OLED照明器件设计及测试系统开发［D］.电子科技大学，2014.

［4］刘灵芝，李戬洪.复合抛物面聚光器（CPC）光学分析研究［J］.能源技术，2006，02：52-56+59.