菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能模拟与试验

闫素英，吴 泽，王 峰，马晓东，王 涛，田 瑞



菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能模拟与试验

闫素英1,2，吴 泽1，王 峰1※，马晓东1，王 涛1，田 瑞1,2

（1. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2. 风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室，呼和浩特 010051）

该文基于直通式微通道冷却的菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能的仿真和试验进行研究，结果表明，太阳辐照度、聚光元件间的装配距离、入射角及热对流等对系统热电性能的影响较大；太阳直接辐照度为226 W/m2时，菲涅尔透镜与聚光元件间距离增大2 mm后，功率和电效率分别下降0.98 W和7.4%，对于确定的菲涅尔高倍聚光PV/T系统，存在最佳聚光元件装配参数范围；当太阳直接辐照度一定时，冷却工质流量越大，电池表面温度下降越快，但在较高流量时，随着流量持续增大，电池表面温度下降趋势减小；当入射角由0°增大至1°后，系统得热量下降0.25 MJ，在太阳辐照度达到500 W/m2时，输出功率下降6.35 W；试验系统输出性能稳定，且适用于大型系统，该文研究为系统实际运行参数调控提供理论和试验依据。

太阳能；辐射；菲涅尔聚光；PV/T系统；砷化镓电池；热效率；电效率

0 引 言

为降低光伏发电投资成本，提高能源利用率，国内外学者对光伏/光热系统及其输出特性进行了广泛研究[1-2]；Carlo等[3-4]通过有限元法建立聚光光伏光热系统的动态模型，并对其性能进行了优化；Natarajan等[5]对带有强制冷却系统的二维聚光PV/T系统模型进行了流动和传热特性分析；微通道以体积小、换热效率高等优点广泛应用于电子芯片冷却[6]，对于菲涅尔高倍聚光PV/T系统，冷却砷化镓电池对提高电池效率具有重要意义[7]。Zou等[8]将菲涅尔透镜和三结砷化镓电池结合建立聚光PV/T系统，其光电转换效率为26.6%；Hussain等[9]研究了采用U型散热器的菲涅尔聚光PV/T系统，Benabderrahmane[10]分析了太阳辐照度、环境温度及工质流量对系统热性能的影响；Xu等[11-12]对几何聚光比为1090的菲涅尔聚光PV/T系统进行了试验研究，结果表明系统最高光电转化效率可达28%；唐磊等[13]根据蒙特卡洛算法的基本原理，对模型特定区域内的随机变量进行统计以确定近似最大功率点；孙航等[14]针对相应配置分别设计算例进行仿真研究，并与集中式最大功率点跟踪结果进行对比分析，为显著提高光伏阵列输出效率建立理论基础；付蕊[15]优化设计了一种适用于多结太阳电池的高效聚光Fresnel透镜，聚光效率均大于80%；金祝岭等[16]针对一种菲涅尔式高倍聚光光伏光热系统进行试验研究。

本文将菲涅尔点式聚光与水冷换热进行有效结合，冷却高能流密度太阳电池时，对余热进行收集，并分析不同因素对系统热电性能的影响，以期为系统实际运行过程中调控散热器入口参数提供理论和试验依据。

1 试验系统及研究方法

1.1 菲涅尔高倍聚光PV/T系统

本文所研究的菲涅尔高倍聚光PV/T系统是由12个图1所示单片模组组成的系统模块，每一块聚光模组有12块相同菲涅尔透镜、12块相同三结GaAs 太阳电池以及12个微通道散热器，不同模块可以组成菲涅尔高倍聚光阵列系统。为了方便研究与调控菲涅尔透镜、GaAs电池及微通道散热器之间的耦合匹配，将模组拆解成单片，单片结构与模组热电输出性能一致，为了方便对比及稳定性分析，本文试验采用2套单片菲涅尔高倍聚光PV/T模组结构，如图1所示，组件包含菲涅尔透镜，光漏斗，光棱镜、三结砷化镓电池芯片、陶瓷基板（PCB板）、微通道散热。其中，菲涅尔透镜、光漏斗及光棱镜组成菲涅尔高倍聚光结构，该结构几何聚光比为1000，光学聚光比为811，光学效率为89.29%，接收角为1.09°；菲涅尔透镜口径为330 mm，焦距为480 mm，齿距为1 mm；光漏斗上底44 mm×44 mm，下底19 mm×19 mm，高27 mm；光棱镜上底19 mm×19 mm，下底10 mm×10 mm，高40 mm；各部件材料均选用玻璃硅橡胶（silicon on glass），其折射率为1.41；散热结构的几何参数如表1所示。

图1 菲涅尔高倍聚光PV/T模组结构图

表1 散热器结构几何参数

图2为微通道散热器剖面图，冷却水由进水口流入散热器，沿水流方向，先是进入左侧腔体，然后进入微通道与电池芯片进行对流换热，再汇流到右侧腔体，由出水口流出。

图2 微通道散热器剖面图

1.2 系统评价指标

系统的热效率th[14]为

系统的电效率e[14]为

式中为系统的聚光比；为太阳直接辐照度，W/m2；pv为三结砷化镓电池芯片的面积，m2。为冷却工质（蒸馏水的质量流量），kg/s；p,w为冷却工质的比热容，J/(kg·℃)；out，in分别为微通道出口和入口流体温度，K；m，m分别表示不同工作条件下最大功率点输出的电压(V)和电流(A)。

得热量[17]为

式中u为循环水箱内工质体积s所含的得热量，MJ；w为水的密度，kg/m3；s为水箱内水的体积，m3；i为散热器入口水温，℃；v为循环水箱中水的温度，℃。

1.3 数值模拟

在仿真模型中，换热结构属于流-固耦合[1]，流体流动雷诺数范围20<<2 000，微通道冷却工质作如下近似：三维稳态可压缩流体，无流动滑移，不计重力影响。边界条件如下：

1）设电池表面为heat flux边界条件，其表面能流密度是经过菲涅尔三级聚光系统聚焦1 000 W/m2的太阳直接辐照度得到。

2）去离子水的密度、比热容和导热系数随温度的关系按式（4）－式（7）计算。

式中为热力学温度，K。

3）每层结构间设置interface，以保证网格的连接性。

1.4 试验研究

菲涅尔高倍聚光PV/T模组试验装置如图3所示，菲涅尔透镜固定在跟踪系统上，其焦距可调节，本文的研究是基于焦距480 mm不变的条件下，在该焦距下，系统光斑均匀性和接收面积均最佳；光漏斗通过支架固定在散热器外包结构上，光棱镜底端则直接与电池芯片相连；砷化镓电池与高导热陶瓷基板（PCB板）层压连接，并用导热胶粘贴；微通道散热器为铝合金材料，具有导热系数高的特点，PCB板与微通道散热器焊接；散热系统通过保温材料保温，并通过密封处理；冷却水箱内的工质经过散热器，冷却砷化镓电池，在出口处流回该冷却水箱，实现冷却工质的循环使用；冷却水箱和流体流经管路均经过保温处理。

聚光电池为三结砷化镓电池，该电池芯片正常工作温度为−40至100 ℃，最高耐受温度为180 ℃，GaAs电池尺寸为10.1 mm×10.8 mm×0.195 mm。跟踪装置采用全自动双轴跟踪系统，该系统包含光敏探头、位移机构和控制箱。跟踪方法采用光敏探头的反馈驱动和跟踪程序相结合的方式，即系统通过光敏探头反馈太阳直接辐照的方位，同时，跟踪程序驱动跟踪系统，达到三维方位跟踪，实现高度精准跟踪的目的。控制箱可实现自动跟踪和手动跟踪的切换，在系统初始化及跟踪系统精度较低时，可手动调节，使聚焦准确度提高，再切换为自动跟踪模式，完成跟踪系统的校准。

图3 试验模组实物图

试验地点：内蒙古自治区呼和浩特市（40.85°N，111.67°E），测试光线入射角为0°，初始进口水温为环境温度20 ℃。试验时间为4－7月份，本文选取4月份一个月内晴天以及典型日的数据进行分析，试验所用仪器相关参数如表2所示，热电偶被布置于电池芯片背面中心和边缘处，实时测量电池芯片温度；铂电阻被放置于保温水箱、微通道散热器进口和出口处，实时采集水箱和散热器进出口水温；涡轮流量计布置于水箱出口处以便对冷却水流速进行测量；试验通过TRM-JGFD数据采集仪对热电偶、热电阻、太阳直接辐射表、环境温度传感器、风速仪测得的电信号进行采集，经计算机软硬件系统对采集得到的电信号分析处理后，得到实时数据，各信号的采样时间间隔为1 min，分析不同影响因素对系统电性能的影响。

表2 测量仪器的测量范围及精度

2 结果与分析

2.1 太阳直接辐照度对系统热电性能分析

2.1.1 太阳直接辐照度对系统电效率的影响

由2套相同结构模组系统典型日的测试数据分析可得，两套系统试验结果接近，如图4，单片菲涅尔高倍聚光PV/T模组的发电功率与太阳直接辐照度的变化趋势基本一致。功率随着太阳直接辐照的上升而上升，随着太阳直接辐照的下降而下降。太阳直接辐照度下降至500 W/m2以下时，功率的下降更加明显。

图5为太阳直接辐照度和系统实时输出效率随时间的变化趋势图。可以看出，系统的实时电效率与太阳直接辐照度的变化趋势一致，其最大值为26%，对应的太阳直接辐照度为最大值850 W/m2；热效率稳定在35%左右，与文献[18]的试验结果趋势一致，太阳直接辐照度对系统热电效率影响较大。

图4 功率随时间的变化

图5 系统效率随时间的变化

2.1.2 太阳直接辐照度对热效率的影响

图6为系统实测热效率与仿真值的拟合，试验当日08:30～16:00太阳直接辐照度较高，最低值809 W/m2，最高值958 W/m2，试验热效率最高为38.7%，最低32.46%，同时仿真热效率的变化规律与试验实测结果一致，仿真值相比试验值高5%，主要因为仿真没有考虑环境风速对散热的影响。

图6 系统热效率对比

2.2 热对流对系统热电性能的影响

2.2.1 不同流量下系统热性能

图7为不同流量下电池芯片温度随时间的变化关系。在09:00－15:00，随着太阳直接辐照度的升高，电池芯片温度逐渐升高，在15:00时，电池温度已经上升至较高温度，因此在15:00后随着太阳直接辐照度的下降，在短时间电池芯片温度并未出现下降趋势，而是在半小时后开始缓慢下降；当质量流量为0.02、0.013 6和0.007 5 kg/s时，电池芯片温度峰值分别为49.8、51.4和53.6 ℃。可见，当太阳直接辐照度一定时，冷却工质流量越大，电池表面的温度越低，但在较高流量时，随着流量的持续增大，电池表面温度下降幅度减小。

图7 冷却水流速对电池温度的影响

2.2.2 试验与仿真对比

图8、图9分别为试验实测的电池板背温度、冷却水温度与仿真计算的对比。

图8 试验与仿真电池板背温度对比

图9 试验与仿真冷却水温度对比

仿真计算的给定初始值与试验监测值一致，入口流量为0.013 5 kg/s，环境温度取当日平均值18.2 ℃，太阳直接辐照度取不同时间点的实时监测数据。可以看出电池板背温度和冷却水温度的仿真值均高于试验值，但变化的趋势基本是吻合的；其中冷却水温度试验值与仿真值偏差均在5%内。电池板背的温度仿真值高于实测值，这是由于计算时未考虑风速的影响。

2.3 聚光元件间的装配距离对系统电效率的影响

为了研究聚光效果对太阳能电池输出功率和电效率的影响，本文利用两套试验模组系统进行比对试验。1#机的试验参数保持不变，改变2#机的焦距，将菲涅尔透镜与二、三级聚光器间的距离增大2 mm，得到功率和电效率随太阳直接辐照度的变化。图10为1#机与2#机的功率与电效率随太阳直接辐照度变化的对比图。从图10中可以看出，在226 W/m2直接辐照强度下，2#号机的输出功率和电效率分别比1#机下降0.98 W和7.4个百分点，下降18.6%和28.1%；851 W/m2直接辐照强度下，2#号机的功率与1#号机差值达到最大值5.20 W，下降25.7%，电效率下降7.1个百分点及25.0%；随着太阳直接辐照度的增大，两台试验仪器的功率逐渐升高，且两仪器功率的差值呈增加趋势，从0.99 W增大到5.20 W，电效率下降没有明显变化。在太阳辐照度达到500 W/m2以上时，1#机聚光效果更好，电池表面的能流密度更均匀，电池芯片产生的电流更大，因此功率的增幅也较大。

图10 装配距离对系统电效率的影响

2.4 入射角对系统热电效率的影响

2.4.1 入射角对系统电效率的影响

图11为入射角0°和1°条件下两试验装置功率和光电转化效率随时间的变化情况，可以看出，1#机功率高于2#机，在206 W/m2直接辐照强度下，1#号机的功率比2#机高0.97 W，而且随着辐照度的增大，两系统间的功率差值也在增加，在太阳辐照度达到500 W/m2以上时，与2#机功率的差值逐渐增大，最大为6.35 W。电效率的变化趋势与功率基本相同，两系统的转化效率最大差值为9.6个百分点，随着太阳辐照度的增加，入射角对电功率和电效率的影响增大。

2.4.2 入射角对系统热效率的影响

图12表示入射角为0°和1°条件下两试验系统得热量随时间的变化；入射角为0°的1#机得热量由0.39 MJ增加到2.27 MJ。

图11 入射角对系统电效率的影响

图12 入射角对系统得热量的影响

由于入射角的不同，随太阳辐照量的增大，两系统得热量的差值也在逐渐增大[19]；在较低太阳辐照量时，得热量的差值为0.13 MJ，随着太阳辐照量的增加，在当天试验结束时，得热量的差值增大到0.25 MJ。由于结构一致，所以对于由12块相同结构模组组成的菲涅尔高倍聚光PV/T系统，以及菲涅尔高倍聚光PV/T阵列系统，入射角对其热电输出性能影响是一致的。

2.5 试验误差带分析

本文选取4月份晴天数据进行稳定性分析，并进行误差带分析。取太阳辐射强度相近的10 d数据，如图13所示，分析10 d内09:00－15:30，随太阳直射辐照在400～900 W/m2范围内变化，系统输出功率、电效率的变化规律。可以看出，10 d内相同时刻，太阳直射辐照度和功率存在少数偏离平均值的点，是由于试验当天存在瞬间云层遮挡的现象，但总体比较10 d数据可知，同一时刻，系统输出功率、效率随着每天的太阳直射辐照度不同会变化，但是总体变化不大，结果在平均值上下波动，剔除异常点，输出功率最大值为20.53 W ，比平均值高6.72 W，最小值为9.23 W，比平均值低3.71 W；电效率最大为26.66% ，比平均值高4.65%，电效率最小为17.49%，比平均值低3.09%，主要是由于每天的太阳辐射强度变化引起的，从图13所示误差波动带可以认为系统输出基本稳定。

图13 系统输出的稳定性

2.6 经济性分析

Bosanac认为，对于PV/T系统的经济性分析会受到相关政策的影响，因而即便对于同一套系统，在不同的时空环境下也缺乏统一的判定标准[20]。在工程实际应用中系统在全寿命周期中的发电量是分析经济性的关键因素[21]。图14为单块电池菲涅尔高倍聚光PV/T模组的发电量，可知，4月份晴天日平均太阳直接辐照在600～800 W/m2的范围内，1#机10 d内09:00－17:00的发电量如图14所示，可知，日发电量随日平均太阳直接辐照的变化，有所波动，但相对稳定在日平均发电量0.1 kW·h左右。

图14 系统发电量

3 结论与讨论

本文对基于微通道冷却的菲涅尔高倍聚光PV/T系统的热电输出性能进行了仿真和试验研究，得出以下结论：

1）太阳直接辐照度对菲涅尔高倍聚光PV/T的热电性能影响较大；系统热性能的仿真计算值均与试验实测系统实测结果吻合较好，冷却水温度偏差基本均在±5%内。由于计算时未考虑风速的影响，电池板背的温度仿真值相对更高；冷却工质流量越大，电池表面的温度越低，但在较高流量时，随着流量的持续增大，电池表面温度下降幅度减小。当菲涅尔透镜与聚光元件间增大2 mm时，系统功率下降，且随着太阳直接辐照度的增大，功率下降程度增加。当太阳辐照度高于500 W/m2，入射角从0°增加到1°时，功率的差值逐渐增大且最大值为6.35 W，同时在当天试验结束时，得热量的差值增大到0.25 MJ。

2）通过对4月份晴天及典型日数据进行误差带分析表明，10 d内相同时刻，系统输出功率、效率在平均值上下波动，主要由于同一时刻太阳直接辐射强度不同引起的，输出功率最大值为20.53 W，比平均值高6.72 W，最小值为9.23 W，比平均值低3.71 W；电效率最大为26.66%，比平均值高4.65%，电效率最小为17.49%，比平均值的低3.09%；4月份晴天日平均太阳直接辐照在600～800 W/m2范围时，日发电量随日平均太阳直接辐照的变化有所波动，但相对稳定在日平均发电量0.1 kW·h左右。

根据试验装置的实测数据，入射角、聚光元件间的装配距离等因素会对菲涅尔高倍聚光PV/T系统的输出性能产生不同程度的影响，且随着太阳直接辐照的增加，影响程度增大，由于结构一致，所以对于由12块相同结构模组组成的菲涅尔高倍聚光PV/T系统，以及菲涅尔高倍聚光PV/T阵列，结论是一致的，即该结论也适用于大型系统。本文研究为系统实际运行过程中调控散热器入口参数提供了理论和试验依据，使得系统实际热电效率、输出功率最佳，以此提高太阳能综合利用率并降低系统成本。

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Simulation and test of thermoelectric output performance of Fresnel high concentration PV/T system

Yan Suying1,2, Wu Ze1, Wang Feng1※, Ma Xiaodong1, Wang Tao1, Tian Rui1,2

(1.010051,; 2.010051,)

High concentration photovoltaic equipped with water cooling, have great potential in achieving cost-effective and clean electricity generation at utility scale, so a point-focus Fresnel high concentrating photovoltaic/thermal (PV/T) system with active cooling methods were proposed in this paper. The device consists of Fresnel lens, dual-axis tracking system, water circulation system, data acquisition system and support structure. An active thermal circulation with coolant fluid can enable heat transfer from the central receiver to a thermal load so that the dissipated heat is collected as usable energy. Water is used as the cooling fluid in the microchannel radiator. The dual-axis tracking system ensures that the high concentrating PV/T array tracks the sun accurately and the inverter helps to output electrical power at the maximum power point. The cooling water flows into the radiator from the water inlet, the GaAs battery is cooled, and the water flows back to the cooling water tank to realize the circulation. The influence factors on the thermoelectric performance of the system were investigated, including the direct irradiance of the sun, the assembly distance between the concentrating elements, the incident angle of the sunlight and the flow rate of the working water. The results showed that the temperature of the surface of the battery was decreased with the flow rate of the cooling water when the flow rate was below to the limit value, while it decreased at a slower rate with the increase of flow rate when the flow rate was higher than the limit value. The power and electrical efficiency were dropped to 0.98 W and 7.4 percent point, respectively, when the distance between the Fresnel lens and the 2nd/3rdstage concentrators was increased by 2 mm, and the direct normal irradiance value was 226 W/m2. Meanwhile, output powers of two experimental instruments were added with the increasing of irradiance, while the difference performance of the instruments was observed clearly. Therefore, it is essential to gain an optimal concentrating element assembly parameter range for the certain Fresnel high concentrating PV/T system. The heat absorption was decreased about 0.25 MJ with the incident angle increased from 0° to 1° and the output power was declined to 6.35 W when the irradiance was 500 W/m2. Direct normal irradiance was an important characterization factor affecting the thermal and electricity output. The results indicated that when the direct normal irradiance value was 850 W/m2, the highest photovoltaic efficiency value was 26% and the instantaneous thermal efficiency could be achieved to 35% at the same time, which meant the total solar energy conversion efficiency of the high concentrating PV/T system was more than 60%. The real-time electric efficiency of the system was consistent with the trend of direct normal irradiance. Power and electrical efficiency and the output characteristics of the system in the experiment were stable through analyzing errors of direct normal irradiance. The results obtained from this paper are also suitable for the large systems due to the experimental system was consisted with 12 modules. The results provide a reference for adjusting the inlet parameters of the heat exchanger during the actual operation of the Fresnel high concentrating PV/T system.

solar energy; irradiance; Fresnel concentrating system; PV/T system; GaAs cells; thermal efficiency; electrical efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.025

TK515

A

1002-6819(2018)-20-0197-07

2018-04-28

2018-09-05

国家自然科学基金资助项目（No.51766012）；内蒙古草原英才资助（2016年度）；内蒙古科技计划（2016年度）；内蒙古财政创新引导基金资助（2017年度）

闫素英，教授，博士，主要从事太阳能光热、光电利用技术的研究。Email：yan_su_ying@aliyun.com.

王 峰，博士，主要从事纳米材料特性研究。Email：wangfeng@imut.edu.cn

闫素英，吴 泽，王 峰，马晓东，王 涛，田 瑞. 菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能模拟与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：197－203. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.025 http://www.tcsae.org

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