CPC型聚光光伏光热系统的性能分析(1)

1、第29卷第1期2011年2月RenewableEnergyResources可再生能源Vol.29No.1Feb.2011CPC型聚光光伏光热系统的性能分析刘亚雷，张红，许辉，万懿210009）（南京工业大学能源学院，江苏南京摘要：根据能量守恒定律，建立了分析CPC型聚光光伏光热系统性能的动态模型，并研究了系统的结构尺寸、冷却水流量等参数对系统性能的影响。当冷却水流量一定时，随着系统长度的增加，系统日发电效率和系统日集热效率逐渐降低。当系统长度一定时，增加冷却水流量能降低冷却水的出口温度，提高系统的发电效率。但是，随着冷却水流量的逐渐增加，各指标的变化趋势将逐渐平缓，系统的发电效率与水温之间存

2、在一个基于流量的优化关系。关键词：CPC；聚光；光伏光热系统中图分类号：TK514；TM615文献标志码：A文章编号：1671-5292（2011）01-0001-05PerformanceanalysisonCPC-PV/TsystemLIUYa-lei，ZHANGHong，XUHui，WANYi（SchoolofEnergy，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009,China）Abstract:AccordingtoLawofConservationofEnergy,adynamicmodelisestablishedtoanalyzethe

3、thermalandelectricalperformanceofacombinedparabolicconcentrator-photovoltaic/thermal(CPC-PV/T)system.TheinfluenceofsomefactorssuchasthedimensionoftheCPC-PV/Tsystem,thewatermassflowrateandetc.,ontheperformanceofCPC-PV/Tsystemareinvestigated.Whenthewatermassflowrateisconstant,thedailyelectricalandther

4、malefficiencyisdecreasedalongwiththein-creaseofthelengthoftheCPC-PV/Tsystem.Whenthelengthofthesystemisconstant,thetempera-tureofwaterisdecreasedalongwiththeincreaseofthewatermassflowrate,thesystemelectricalef-ficiencyisincreased.However，withtheincreaseofthewatermassflowrate,thevariationsintemper-atu

5、reofwaterandsystemelectricalefficiencyaredecreased.Thereisanoptimumrelationshipbe-tweenthesystemelectricalefficiencyandthetemperatureofwaterbasedonthewatermassflowrate.Keywords:CPC；concentration；photovoltaic/thermalsystem0引言光伏发电技术是将太阳辐射能转化为电能的一种发电技术，高效利用太阳能是缓解目前能源紧张、减轻环境污染的有效途径之一。光伏电池的发电效率为11%15%，其余

6、大部分的太阳能被转化成了热能，并使电池工作温度升高，从而导致光伏电池发电效率下降1。为了有效地解决这一问题，Kern和Russell首次提出了用水或空气将光伏系统产生的热量直接带走，并加以利用的光伏光热（PV/T，photovoltaic/thermal）系统2。收稿日期：基金项目：作者简介：通讯作者：近年来，许多学者对PV/T系统进行了大量的研究。季杰对自然循环模式下的PV/T系统进行的实验研究表明，系统的综合性能效率在60%以上3。崔文智建立了聚光型混合光伏光热系统的三维稳态模型，得到了聚光比、冷却流体质量流率、环境风速等对系统性能影响的规律4。葛新石对PV/T电热联产系统的性能分析表明，

7、在不同风速条件下，带玻璃盖板的PV/T系统的可用能（Exergy）转换效率高于不带玻璃盖板的PV/T系统5。H.P.GARG对采用了CPC的PV/T系统的2010-03-25。国家高新技术研究发展计划资助项目（2006AA05Z419）。刘亚雷（1983-），男，硕士研究生，主要从事太阳能光伏/光热方面的研究。E-mail：ook_1983张红（1963-），女，汉族，教授，博士生导师，主要研究方向为高效传热传质设备及新能源开发技术。E-mail：hzhang·1·可再生能源2011，29（1）性能进行了分析，并建立了预测其性能的稳态模型，研究结果表明，系统的热电输出随着接

8、收器的长度、空气流量的提高而增加，随着流道高度的增加而减小6。本文针对CPC-PV/T系统的运行特点，建立了分析该系统光电、光热性能的动态数学模型，研究了系统长度、冷却水流量等参数对系统性能的影响，提出了系统的发电效率与水温之间存在一个基于流量的优化关系。1数学模型CPC-PV/T系统的基本结构如图1所示。为了简化分析，做如下的假定：PV/T模块四周填充有绝热材料，假定其四周绝热；工作流体的温度沿流动方向呈线性分布；CPC镜面不参与传热，即CPC不作为传热元件考虑；不考虑入射角对光学性能的影响。根据图2所示的系统能流网络图以及各部件之间的能量传递方式，由能量守恒定律可以得到下列方程式。（1）玻

9、璃盖板的能量平衡方程式CMcCpcdTc=qc（t）+(hrpc+hcpc)（Tp-Tc）-hcs（Tc-Ts）-hca（Tc-Ts）（1）·2·式中：C为聚光比；Mc为单位面积玻璃盖板的质量，kg/m2；Cpc为玻璃盖板的比热容，J/（kg·K）；Tc，Tp，Ts，Ta分别为玻璃盖板的温度、光伏模块的温度、当量天空黑体温度以及环境温度，K；hrpc为光伏模块与玻璃盖板之间的辐射换热系数，W/（m2·K）；hcpc为光伏模块与玻璃盖板之间的对流换热系数，W/（m2·K）。玻璃盖板吸收的太阳辐射能7：qc（t）=I（t）（c+ccpm2）C（2）

10、玻璃盖板与环境之间的辐射换热系数：hcs=c（Tc2+Ts2）（Tc+Ts）C（3）玻璃盖板与环境之间的对流换热系数8：hca=（3.8v+5.7）C（4）在式（2）（4）中：I（t）为太阳辐射强度，W/m2；为施蒂芬-玻尔兹曼常数，W/（m2·K4）；c为玻璃盖板的吸收率；c为玻璃盖板的透过率；c为玻璃盖板的发射率；p为光伏模块的反射率；m为CPC聚光镜的反射率；为CPC聚光镜的平均反射次数，=0.5+0.07C9；v为环境风速，m/s。（2）光伏模块的能量平衡方程式MpCppdT=qp（t）-E-(hrpc+hcpc)（Tp-Tc）-hpb（Tp-Tb）（5）式中：Mp为单位面积

11、光伏模块的质量，kg/m2；Cpp为光伏模块的比热容，J/（kg·K）；Tb为吸热板的温度，K。由文献10可知，玻璃盖板与光伏模块之间的辐射、对流换热系数分别为hrpc=（22）（）1Ap1p+cc-1（6）hcpc=3.26+0.0085（Tp-Tc）（H7）式中：p为光伏模块发射率；Ac，Ap分别为玻璃盖板、光伏模块的面积，m2；DH为流道当量直径，m。光伏模块与吸热板之间的换热系数为hpb=1（8）p+ad+b式中：p，ad，b分别为光伏模块、导热胶、吸热板的厚度，m；kp，kad，kb分别为光伏模块、导热胶、吸热板的导热系数，W/（m·K）。刘亚雷，等CPC型聚光光

12、伏光热系统的性能分析光伏模块吸收的太阳辐射能为7qp（t）=CI（t）cm（p+ppc2）（9）光伏模块的电力输出为11E=qp（t）r1-0.0045（Tp-298.15）（10）式中：c为玻璃盖板的反射率；p为光伏模块的吸收率；r为标准状态下光电转换效率，本文取r=15%。（3）吸热板的能量平衡方程式MbCpbdTdt=hpb（Tp-Tb）-hbw（Tb-Tw）（11）式中：Mb为单位面积吸热板的质量，kg/m2；Cpb为吸热板的比热容，J/（kg·K）；Tw为工作流体的平均温度，K。工作流体与吸热板之间的对流换热系数：hbw=Nu（H12）式中：w为工作流体的导热系数，W/（m

13、·K）；Nuw为流体换热系数，当Re2300时，Nuw=4.364；当Re2300时，Nuw=0.023Re0.8Pr0.411。（4）工作流体的能量平衡方程式wewCpwdTw=hbw（Tb-Tw）-mwCpw（Two-Twi）-U（Tw-Ta）（13）w式中：w为工作流体的密度，kg/m3；Cpw为工作流体的定压比热容，J/（kg·K）；Twi，Two为工作流体的进、出口温度，K；mw为工作流体的质量流量，kg/s；ew,lw，L分别为流道的高度、宽度、长度，m。工作流体与环境之间的传热系数：U=1hbw+ki+hca（14）式中：i为保温层的厚度，m；ki为保温层的导

14、热系数，W/（m·K）。工作流体的平均温度12：Tw=(Twi+Two)/2（15）（5）效率系统的日发电效率和日集热效率分别为13dp=乙Edt乙（16）CI（t）dtpwmw（Two-Twi）dtdT=C乙（17）CI（t）dt系统的瞬时发电效率：p=E（18）2模拟参数本研究采用上海地区7月份某天的气象数据，对CPC-PV/T系统的性能进行分析研究，当天环境风速较小，约为3m/s时，太阳辐射强度和环境温度见图314。在模拟过程中用到的玻璃盖板、光伏模块等结构和性能参数如下15，16。玻璃盖板：发射率0.85，吸收率0.05，透过率0.90，反射率0.05，比热容800J/（kg

15、·K）。CPC聚光镜：反射率0.95，聚光比3。光伏模块：发射率0.4，吸收率0.9，反射率0.1，比热容800J/（kg·K），导热系数150W/（m·K）。吸热板：厚度2mm，导热系数398W/（m·K）。流道：宽度125mm，高度2mm。保温层：厚度30mm，导热系数0.034W/（m·K）。3计算结果与分析本系统中所采用的冷却流体为水，其入口温度为30。将微分方程（1），（5），（11），（13）联立，通过软件MATLAB7.1进行求解。图46分别显示了长度L=1m的系统，在不同流量下，光伏模块的温度Tp、水的平均温度Tw和瞬时发电效率

16、p随时间的变化。由图4，5所示，随着水流量的增加，光伏模块的温度Tp和平均水温Tw都降低。由图6所示，当水流量mw=0.0005kg/s时，在中午12时，水温为337K，但是光伏模块的温·3·可再生能源2011，29（1）度高达352K，瞬时发电效率为一天中的最低值，p=8.88%；当水流量mw=0.003kg/s时，在12时，光伏模块的温度为328K，其瞬时发电效率达到了10.17%，但是水温仅为310K，不能达到用户的使用要求。因此，当系统长度一定时，应选择合适的水流量，若水流量过大，虽然光伏模块温度较低，瞬时发电效率较高，但是水温较低；若水流量过小，虽然能得到较高的水

17、温，但是系统的发电效率较低。图7是系统在中午12时的瞬时发电效率和水温随流量的变化情况。由图7可见，在水流量增加的初始期，系统瞬时发电效率迅速升高，然后增加的趋势逐渐平缓；水温随着流量的增加先迅速降低，然后趋于平缓。这主要是因为随着水·4·流量的增加，冷却水带走了更多的热量，使得光伏电池的工作温度降低，从而提高了发电效率。但是，当水流量超过一定值时，发电效率的增加并不明显。系统的发电效率与水温可以通过流量的合理选择来进行优化。水流量对PV/T系统的日发电效率dp和日集热效率dT的影响见图8，9。随着水流量的增加，系统的dp和dT迅速增加，然后逐渐趋于平缓。这主要是因为随着水

18、流量的增加，光伏模块和水的平均温度将逐渐降刘亚雷，等CPC型聚光光伏光热系统的性能分析低，光电转换效率随着光伏模块温度的降低而升高；水温的逐渐降低，意味着水和环境之间的温差减小了，水的热损失量将减少，收集到的热量将增加。同时，当水流量一定时，dp和dT随着系统长度的增加而下降，这是因为随着系统长度的增加，光伏模块和水的平均温度将升高，光电转换效率下降，水的热损失量增加。因此，对于不同长度的系统，合理地选择其水流量是十分必要的，这样既能获得理想的系统效率，也能得到满足用户要求的水温。4结论本研究建立了CPC型聚光光伏光热系统的动态数学模型，分析了系统的工作性能，得出如下结论。（1）当冷却水流量一

19、定时，随着系统长度的增加，系统日发电效率和系统日集热效率逐渐降低。（2）当系统长度一定时，随着冷却水流量的增加，光伏模块和冷却水的瞬时温度逐渐降低，系统瞬时发电效率逐渐升高；系统日发电效率和系统日集热效率随着冷却水流量的增加而迅速增加，然后升高的趋势逐渐平缓。（3）可以通过调节冷却水流量来优化CPC型聚光光伏光热系统的发电效率和出口水温。参考文献：1倪萌，MKLEUNG，KSUMATHY.太阳能电池研究的新进展J.可再生能源，2004，22（2）：9-11.2ECKERNJR，MCRUSSELL.Combinedphotovoltaic&thermalhybridcollectorsy

20、stemA.Proc13thIEEEPhotovoltaicSpecialistC.USA：WashingtonDC，1978.1153-1157.3季杰，程洪波，何伟，等.太阳能光伏光热一体化系统的实验研究J.太阳能学报，2005，26（2）：170-173.4崔文智，于松强，廖全.聚光型混合光伏光热系统热电性能分析J.重庆大学学报，2009，32（1）：86-90.5葛新石，叶宏.PV/T电、热联产系统在理想条件下的性能简化分析J.太阳能学报，2006，27（1）：30-35.6HPGARG，RSADHIKARI.Performanceanalysisofahybridphotovolta

21、ic-thermal(PV-T)collectorwithintegratedCPCtroughsJ.InternationalJournalofEnergyReseach，1999，23(15)：1295-1304.7CKHSIEH.ThermalanalysisofCPCcollectorsJ.SolarEnergy，1981，27（2）：19-29.8JADUFFIE，WABECKMAN.SolarengineeringofthermalprocessesM.NewYork：JohnWileyandSons，1980.9RABLA，GOODMANNB，WinstonR.Practical

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