太阳能热光伏系统辐射器热设计

第30卷第5期2009年5月工程热物理学报JOURNALVol_30.No.5May,2009OFENGINEERINGTHERMOPHYSICS太阳能热光伏系统辐射器热设计陈宣益民韩玉阁江苏南京210094)(南京理工大学动力工程学院，摘要本文针对太阳能热光伏系统中的能量吸收模块，建立了不同结构的灰体辐射吸收器吸收太阳能及瞬态导热过程从而提高系统性能和TM914文献标识的数理模型。通过数值模拟获得了吸收相同太阳能时各辐射器的温度分布及能量泄漏量，结果表明在四种辐射器结构中，球形辐射器具有较好的辐射热性能，更适用于sTPv系统；而通过将四种不同材料的选择性辐射器和灰体辐射器比较发现，选择性辐射器可显著减小辐射能量中的不可用部分，稳定性。关键词sTPV;从而提高系统性能和TM914文献标识文章编号：0253231x(2009)05 —0803THERMALDESIGNoFTHEEMITTERoFTHESTPVSYSTEMCHENXue(schodofP0wer00gj&T00gj&T4,214,EnceAbeechrjng，WanJjngUnjversj亡yofscjEEnceAbeecht

AnrmumereiocfatihmodeltotfePrrsewdiitchtdiinfgrtehePercfoonanceemirentfigura tionsofthesolarthermoPhotoVoltaicsystemispresent•ThetemPeraturedistributionsandtheenergylossofthediHer■eemittersarenumericallycomPuted.Numericalresultsshowthatthe910balemitterhasthebestthermalPerformanceandismoresuitedtoSTPVsystem?throughcomPagthefourkind8ofselectiVeemitterswiththegrayemitter，itisfoundthattheselectiVeemittermayreducetheunconVertibleenergyoftheradiationandimProVetheemciencyandstabilityofthesystemntasnresult.terne伍c1encyterne伍c1encyysSTPV;emitt0引言锥形、立方体形及球形）。太阳能热光伏系统（STPV）是通过集中器会聚太阳光来加热辐射吸收器，再由光电池将其发出的高温辐射能转化为电能的新型装置。在sTPV系统中，集中器一辐射吸收器是一个重要的组成部分，辐射吸收器的形状、材料等对其温度分布及系统性能有着很大影响。本文以STPV系统中的太阳能量吸收模块（集中器+辐射吸收器）为研究对象，构建了辐射器吸收太阳能及瞬态导热过程的数理模型，分析计算了辐射吸收器结构对其表面温度分布及热损失的影响；同图1不同辐射器结构时sTPV系统示意图F培.1

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d1.heSTPVsystemswlth1丘brelltemltterconflguratlons1太阳能吸收模块时将选择性辐射器和灰体辐射器进行了对比分析，0.92[1|。讨论了两者间的差异。在太阳能热光伏系统中采用卡塞格伦型集中器会聚太阳能量。假定太阳光线为平行光，地面可接受的太阳辐射强度为850w/m20.92[1|。1计算模型图1为太阳能热光伏系统热发电模块示意图，包括辐射吸收器、滤波器、电池组及金反射膜等，其中辐射吸收器选取了四种不同的结构，（圆柱形、圆收稿日期：2008—12—10;修订日期：2009—04—061.2辐射吸收器能量平衡方程建立在高温状态下，辐射器、电池、各反射面间的换热主要为表面辐射，假设辐射器和电池问的辐射换基金项目：江苏省自然科学基金重点项目（NO.BK2007726）捉*———•一—（砧侧朴休蛛构（防M台倘构（d工勺佯笛构球休结构作者简介：陈雪（1983），女，江苏南通人，博士生，主要从事太阳能热光伏研究。万方数据5期陈雪等：太阳能热光伏系统辐射器热设计861热发生在密闭腔中，所有表面均为漫射表面。1.2.1辐射器内部节点能量平衡方程针对辐射器内部第（1,歹，南）个面元。根据能量守恒定律，得出该面元的热平衡方程：Q1+Q2+Q3-P唧△"等=0Q1,Q2,Q3分别为面元（i,J,尼）接收到周向、纵向及厚度方向相邻面元的导热加热之和，针对各结构，列出相应的能量平衡方程。1.2.2边界条件辐射器内壁面面元（1,歹，尼）（尼=1）接受太阳辐射能Q,及其他面元的热辐射（包括自己在内所有面元对（1,歹，克）的辐射贡献）Q2。（1）采用射线追踪法跟踪由吸收器入口处进入的太阳光束的传播路径，统计面元（1,元七）接收的太阳能束批人k及由采光口泄漏的太阳能束W2,则该面元吸收的总太阳能量：2。娟＞等而吸收器腔体对聚焦光的反射热损失：一等（3）Q2=a%,伽人mE盯露，伽&111th.f.m式中，晶，c,。一1,J,%—发射面元（危，2,m）对面元（t,J,南）的辐射传递系数。辐射传递系数采用蒙特卡罗法计算。统计每个面元发出的射出采光口的辐射能束数W3,则采光口的辐射损失为：aW3E盯霹£口瓯口1上。。一垒：！：竺吖2r卧aWE盯瑶‘2.。&。it_7“7（2）辐射器外壁面对外发出辐射能并接收经滤波器反射回来的辐射能Q3:0。：100Z瑚na咖

1IK7K4IKJ51畑W1如BIIMMMl1IK7K4IKJ51畑W1如BIIMMMlI.law74in'7KI椚*站i»']iOilIIMX*)7BK烙耐IHlo11JMO2(a*2 hii:tij*给211111iM:血X4$;ooftso1'IT(ifctoI半祈76IIUW1*14MlW吩仆7II伽单IMP7*I山汕侔IM(费1S67MISMUI'M'7K10於:Mln；tillit*?T2SWS1；IK«til:g11w■I2n<.11I2.M-?17:?Max

Ll枷ni胪既一烈式中，c1=3.742X108w.•m4/m2，c2=1.439X104m?Ko辐射传递系数仍然采用蒙特卡罗法，滤波器在不同波段具有不同的透射率［引,则要求在每个微元波长范围内进行射线跟踪。由此可确定各面元在单元波长区间的辐射传递系数。万方数据2计算结果与分析2.1各结构灰体辐射器表面温度分布图2示出接受相同太阳能量时辐射器表面的温度分布，由图可见，球形辐射器的温度最高，在相同体积的情况下，球形辐射器的表面积最小，因此其单位面积吸收的太阳能量最多，此外，球形辐射器独特的凹面形结构，可增加辐射能束在空腔中的反射次数，从而减小辐射能束的损失。但是，球形辐射器

表面温差较大，最高温集中于球体底面，底面以上区域温度分布比较均匀，集中在2300K左右。在四种辐射器结构中，圆柱形辐射器各微元间温差较小，不超过30oC。图2辐射吸收器表面温度分布示意图Fig.2Temperaturedistributionsoftheemitters2.2各结构辐射器发出有效辐射能比较图3示出辐射器发出的辐射能中GaSb电池可转换部分所占百分比，由图可见，球形辐射器发出的有用辐射能所占比例最高,该结论可由图4光谱辐射力随光子能量的变化图得到解释，常用GaSb电图3有效辐射能所占百分比g.3Fig.3ercentoftheeercentofthee娲ctiveradiation2pe86工程热物理学报30卷1富昌1o1勺＞要g写参日出Photonenergy/eV图4黑体辐射光谱分布Fig.4Spectralblajckbodyemi8sivepawer池可转化光子能量范围为o.72 -1.8eV，球形辐射器所对应的光谱分布曲线的峰值正好位于该区间中央，而其他三种结构的峰值偏小，有效辐射能所占百分比减小。此外可以看出，当温度进一步升高时，曲线峰值将向右方移动，同样会使电池无法转换的辐射能增加。

2.3不同结构辐射吸收器内表面热损失图5示出不同结构吸收器腔体内表面对聚焦光的反射热损失l及辐射损失2。其中，锥形辐射吸收器内表面对太阳光束的反射损失最为严重，损失率达到2.9%，因此圆锥形辐射器的温度要远低于其他三种辐射器结构。四种结构的辐射热损失基本相同，球形吸收器的辐射损失略高于其他三种。图5采光口处不同热损失百分比F培5peoftpeoftlOSsthroughcet2.4灰体辐射器与选择性辐射器的比较表l列出选用各种选择性辐射器和sic灰体辐射器时系统性能的比较，四种选择性辐射器的光谱发射率分别为wu表面微结构【3］、M9O+NiO［刮、Er+TiO〉、Al2O3+EAG【弓I，表中，有用能为到达电池表面的和其响应波段相匹配的辐射能，不可用能为响应波段以外的辐射能，系统效率为电池输出电能和吸收总太阳能的比值。选择性辐射器和sic灰体辐射器相比，灰体辐射器发出的有用辐射能略高，但选择性辐射器在响应波段范围以外发射率较小，所以不可用能远小于灰体辐射器，而系统效率也明显增高。在四种选择性辐射器中，钨在GaSb电池响应波段内的发射率最高，因此其发出的可用能最大，而M9O+NiO选择性辐射器在电池响应波段以万方数据外的发射率很低，不超过3O%，因此该辐射器产生的不可用能很小，也使得系统效率得到了提高。当将钨选择性辐射器和si/siO2滤波器结合使用时，电池表面接受的不可用能大大减小，而输出电能相差不大，使得系统效率明显升高。表1选择性辐射器和sic灰体辐射器的比较'工lablelComparisonoftheselectiveemitterswithgrayemitter3结论

通过建模分析得出球形辐射器具有较好的辐射热性能，最适用于STPV系统。而考虑到辐射器加工工艺及极限温度等因素的限制，在日照充足的条2滤波器，两者的结合使用可使得系统效率得到进一步的提高。件下也可选用圆柱形辐射器，该辐射器性能比较稳定，也是较为理想的选择。此外，通过将选择性辐射器和SiC2滤波器，两者的结合使用可使得系统效率得到进一步的提高。Si/SiO参考文献neidneidE.HybrThermophotavoltaicPowersystemS.ConsultaIltR，eDort.2OO2【21刘广平，宣益民，韩玉阁.一维光子晶体在热光伏技术中的应用，光子学报，2OO7，37(l):ll5—ll9LIUGuang—Ping，XUANYi—Min，HANYu—Ge.On昏DimensionalPhotonicCrvstalforThermoDhotovoltaicApplica七ions.ActaPhotonicasinica，2OO7，37(l):ll5—ll9『3lHitoshiS，HirooY.ThermophotovoltaicGenera七ionwithSelectiveRadiatorsBasedonrl、Lln酗tenSurfaceGratin98.AppliedPhysicsLetters，2OO4,85(16):3399 —34O1[4]LucianGF,Fatih■I■IDM•gAHiOghlyEmcientNiO--DopedMatchedEmitterforThermophotovoltaicEnergyCon-—version.MaterialsScienceandEngineering,2001,83••35—41『517工bmerVMensahaR,TokashJC,eta1.SelectiveEmit-—tersforThermoDhotovoltaics:Erbia_ModmedElectro—sPunTitan