槽式聚光太阳能热电联供复合循环

1、第30卷第8期2009年8月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOI ARIS SINICAVol.30. No.8Aug.2009文章编号：02544)096(2009)(W-1054-(M槽式聚光太阳能热电联供复合循环王六玲I,李明2,杨志坤I,郑勤红I,林文贤2,何建华蔦张兴华I,徐永锋I(1 云南师范大学物理与电子信息学院昆明650092； 2.云南师范大学太阳能研究所.昆明650092)摘 要：提出一种新型的太阳能光伏发电与供热复合循环系统该复合循环系统有效利用太阳福射能址提高光 伏系统电池功率井将光伏电池所产生的热董有效回收实现同一聚光集热器对外供电、供热°构建f槽式

2、聚光太 阳能热电复合循环实強装骨实脸表明在10倍太阳聚光作用下单晶硅电池功率可放大505倍.并可有效回收太 阳电池所产生的热尿。太阳能热电联供系统能有效提离太阳能综合利用率。关铁词：槽式聚光;太阳电池;热电联供;复合循环中图分类号：TX519文献标识码：A200&0222葛金国家筒技术研究发展计刘(863)項ti(20O6AAQ5Z4IO);云需省14技计划资助9 R (20070X)162; 2OO7C A008.2008CAG24):国家973 前期 f«0f«ti(2OO7CR2164O5)通讯作缶 李 明(1964-).男博士、教桂主要从事太阳能光直利用*光

3、光伏利用方面的研究。Imdccynpublic. 0引言为实现太阳能虽合理的转化与利用，对太阳能 机理研究及应用关键技术方面仍需进一步优化与提 高。太阳电池光伏发电效率一般在10% 20%之 间因而,80%以上入射到太阳电池的太阳能辐射 能量均通过太阳电池板以热能的形式散失到大气空 间;同时,太阳电池的温度越髙，太阳电池的电转换 效率越低。因而，基于能鳗综合利用及提高太阳电 池转换效率的观点而言，有效回收太阳电池产生的 热量供用户使用，同时有效冷却太阳电池板，构成了 当今太阳能利用中的一个主题“宀，即光伏与光热 的结合(combined solar Photovoltaic/Thermal o

4、r PV-ther- malorPVT)o另一方面，根据光伏发电原理，若光强 被浓缩了 X倍作用于太阳电池板，则输出功率的增 加将超过X倍，聚光结果将使转换效率提高。因而, 如果采用聚光方法，以相对于太阳电池板更为便宜 的聚光反射装建汇聚太阳光作用于太阳电池板可 增大太阳电池的功率输出，滅少太阳电池板的面积, 从而降低光伏发电的成本。针对聚光太阳能热电联供系统，国内进行了一 些理论方面的模拟计算：国外不仅讲行了理论研 究，特别是澳大利亚国立大学ANU还建立了一套槽 式聚光热电联供系统的示范装置7-go但国内外都 对整套热电联供系统装置的制作成本、系统各参数 等方面的具体优化分析工作开展较少。本

5、文建立槽 式太阳能聚光装置并通过实验为槽式聚光热电联 供系统进一步优化分析及改进提供基础，以期使热 电联供系统能进入实用化。1聚光作用下太阳能热电联供复合循 环的工作原理槽式聚光太阳能热电联供系统的构成如图1所 示它由汇聚太阳光线并进行聚光反射的反射镜面 1、贮热水箱2、背道3、驱动流动工质的水泵4、具有 产生聚光伏效应又有对外供热作用的复合接收器 5、聚光光伏电池产生电能输岀的电极6、由太阳11 所辐射的光线7、支撑连接杆8、带动太阳聚光反射 镜面1的旋转轴9以及地面支撑架10组成。其中， 复合接收器5将聚光光伏电池安放在冷却管道上, 在太阳辐射能址作用下产生光伏发电并将聚光光伏 电池产生的

6、热苗进行供热。复合接收器5由聚光光 伏电池12、电池导热粘合制13、保温聚苯乙烯材料 14传热金属背板15、玻璃盖板16组成。该热电联 供系统具有太阳能利用效率高、装潯结构紧凑、易安 装运行、节省太阳能利用占地面积等特点。其工作 8期王六玲尊:槽式聚光太阳能热电联供复合循环1057原理如下:太阳能反射镜面1跟踪太阳II,将辐射光 线7汇聚于热电复合接收器5上，复合接收器5上 的聚比光伏电池12产生电能通过电极6对外供电。 聚光光伏电池12产生的热址通过导热粘合剂13传递 给金属管板15后再经金属管板传递给水流体17,通 过循坏水泵将水流体的热绘传递于贮水箱2内供用 户使用。该装置使用同一聚光集

7、热器对外供热及供 电有效提高太阳能利用效率，实现热电联供。II图1槽式太阳毙热电联供复合循环系统示意图 Fig. 1 The sketch of combined system of solar power and heating water driven by roUt concentrating trough2热电联供系统能量转换分析对于图1所示的槽式太阳能热电联供循环系统, 可从系统获得的电能及热能效益进行太阳辐射能撬的 转化与分析。通过槽式聚光集热镜面1反射到热电复 合接收器镜面16上的太阳辐射能量可表达为：Qm = C0ApF F'F'（I）式中，Gd槽式聚光镜面跟踪

8、太阳所得的直接辐 射能量，可由太阳辐射直射表获取M槽式聚光 反射镜面面积“一面反射率；F镜面形 状箱确率因子，由加工因索确定；F加一面污染 指数，由使用环境确定；尸心一玻璃镜面遮挡系 数，由使用过程中相关物体对玻璃反射镜面的遮挡 情况决定。则透过复合接收器镜面16后入射到太 阳电池的能蛍为：式中,ap 太阳电池的有效反射率;玻璃盖板的透射率;久玻璃孟板的反射率。入射到太阳电池的能虽Qw，转化成的电能为 则有：= 沧"（Tt-TJIF. （3） 式中,0一太阳电池受温度影响之系数； 太阳电池温度；F.接收器上太阳光纵向、横向 非均匀性对太阳电池的影响系数；“参考温度 Th（通常为25七

9、）下的参考电池效率。在热电联供系统中，除太阳电池产生电能外，电 池产生的热址可通过复合接收器内流动工质循坏带 出,供用户使用。通过复合接收器将电池热fit传递 给液流体的热境为：九（口 5（4）式中,心、Tt 别是复合接收器金属借及流动液 体的温度;九一复合接收器金属管内壁面枳，金属管 与液流体间的对流换热系数九“可由（5）式确定：FhNuP1= DhNusselt 数由 Dittus-Boelter 方程确定:血严0023&（乃°4式中，D水力半径；ReReynolds数；PrPraixhl数。为加强换热效果，金属管内加肋片，肋片 传热相关系数Fh可由仃）式确定®

10、 :Fh =（）0，（7?严式中,A.流体通过有肋片金属管的横截面积; A流体通过无肋片金属管的横截面积；P 有肋片时的水力湿周；代无肋片时的水力湿周。热电联供系统热效率及电效率少4分别为：由于热电的品质不一，系统热电联供复合效率 不应简单将热效率与电效率相加，利用可用能 娴作为标准是一种合理的方法"3 O3热电联供系统实验装置构建及实验 性能3.1系统构建为验证槽式聚光集热系统热电联供的可行性，制 作了 3台集热面积为2.13m2槽式聚光集热实验装置, 实测槽式聚光装置的聚光比在1020倍之间,聚光镜 面的光学效率（pF岭F场）为0.7。通过对单晶硅、多晶硅电池在聚光比下电输出性能

11、实测,发现在聚光较 大时，常规单晶硅电池、多晶硅电池的电性能输岀受 聚光比影响较大，即聚光后电池电流较大，减小电池 串联内电駅才能有效将聚光电流输岀,可选用栅线较 密的单晶硅电池作为热电联供装艮电池。复合接收 器金属管道采用吸热板与传热管合为一体的铝金属 管，具有较好的散热及传热能力。通过传热管输岀的 流体热址可进入贮热水箱供用户使用。3.2实验测试数据及分析聚光条件下系统电池的输出电流、电压用万用 表测罐，进岀水温度、环境温度、直辐射、风速等相关 参数用太阳能测试系统仪测蜀。实测热电系统热量 输出、电量输岀如下：QCp/n(九-几)(10)Q""(11)式中,-流体平均温

12、度下的定压比热容；m 流体质量；T-流体岀口温度；几一流体进口 温度；匚、入分别为赧大电功率输出条件下负 荷电流及电压。接收雒热效率及太阳电池电效率计算如下：式中，0“一热电复合接收器所获得的光能，可通 过式(1)计算。由于太阳辐射能经聚光镜面聚光在 接收器上的宽度较宽，太阳电池上没有全部接收这 部分辐射能，太阳电池表面获得的辐射能应通过 (13)式计算：Qg = XG4(13)式中，X实验系统的聚光比；Gd太阳直辐 射;Sy电池的总面积。式中，Qg聚光在太阳电池表面的辐射能。对系统的热电复合效率及系统性能可用轴效率 进行评价，计算方法如下：E. = Q* +- (T. + 273.15)$*

13、 -人-(7+273.15)丄1(15)=；:二 273.15、(式中,T.环境温度;h, s分别为工质在特定 条件下的熔和爛。对于本实验所选用的常规单晶硅电池，总面积为 0.0672m2,出功率在直辐射为却.OW/n?的普通光 照下为8.56W.所用的槽式聚光复合系统聚光镜面的 聚光比为10,接收器架在镜面上所产生的玻璃镜面遮 挡系数为0.939,实验所测数据如表1所示。直辐射ift体质址进水温环镜 温度鹿风速出水 温度/*峰值功率峰值功率最大电功电池效 率/%接收器热效率娴效率/%/W-m'1 / 切齐度m电流/A电压/V率/W944.00.011141 620.00.757.58

14、.605.0343.2586.8255.826.17»1徐电系统性能实测数据Table 1 The measured prvpertjesi of solar combined heating and power gyalem由表1可知，太阳电池在10倍聚光条件下功率 放大了 5.05倍聚光条件F电池的电效率为6.82%, 通过复合接收器回收电池的热能，在接收器内可产生 55.82%的热效率,说明电池所产生的热愀在接收器内 得到了充分的回收利用。表示热电联供系统性能的 复合效率,即则效率计算结果为6.17%,其中电、热分 别提供的綁效率为2.41%.3.76%。可以说，热电联供 系统

15、不仅降低了电池温度，使电池输岀功率保持在较 高水平，附加热能的利用更使刺效率提高3.76%。若 要进一步提高系统的电效率和轴效率,待别是在较高 聚光强度下，需采用聚光电池，加大聚光电流收集，减 小内阻损耗功率。另外,本实验装置的聚光镜面光学 效率为0.7,且聚光在接收器上的宽度较宽,达到了 】0cm,聚光比只有10,导致了镜面损失能虽较大，电池 接收的辐射能较少,州效率较低。本课题组采用改良 的模具，改进了镜面制作工艺，目前聚光镜面的聚焦 宽度已接近5.5cm,聚光比达19。将此聚光镜面与呻 化稼电池应用于热电联供复合循环系统，根据课题组 所测得在聚光比19倍条件下，碑化稼电池输岀功率 放大了

16、 21借的特性，可计算出砕化傢电池为热电复 合系统提供10.02%的姗效率，从而可使整个系统的堀 效率达到13%以上。进一步改进制作聚光镜面的材 料及工艺,使光学效率能捷高至0.9,复合系统的鼎效 率可提高到16%以上。4结论新型槽式太阳光伏发电与供热复合循环系统能 有效利用聚光太阳辐射能童.提高光伏系统发电功 率并将聚光光伏电池所产生的热杲冇效回收，实现 同一槽式聚光集热器对外供电、供热。实验结果表 明，在太阳聚光倍数为10倍条件下,单晶电池功率 放大5.05倍，而回收电池热殳可产生55.82%的接 收器热效率和3.76%的彌效率，系统热电利用得到 有效实现。随着聚光太阳电池进一步优化及系统

17、热 电性能整体优化设计，太阳热电联供系统性能将进 一步得到提高。研究结果可为太阳能热发电、供热、 太阳能综合利用提供新渠道。【参考文献1 Bengpne T, Ixmrik 0. Model calculations on a flat-plate solar heal coUector with integrated solar cells j. Solar Energy* 1995. 55： 455-4622 Tripanapostopoulx Yt Nousis Tt Souliotis M. Hybrid photovoltaic/thermal Rolar systemsJ Sola

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