光伏光热一体化装置的设计与优化

论文总字数：27122字

摘 要

光热能量收集器和低光能聚光技术的优点都融合在了光伏光热一体化系统里面来提升光能转化效率，这篇文章将展示12倍聚光率聚光装置。本文的设计方面重在两方面：

1. 聚光系统的研究。通过建立严谨的数学模型才设计一个达到12聚光比,光线分布均匀,聚光效率高的平面菲涅耳式的聚光系统。然后采用Soltrace软件对聚光系统进行模拟改进及优化，最后得到的聚光系统的聚光效率达69.2%，并对数据进行拟合计算，得到拟合的能流高斯曲线。
2. 组件温度场分布的研究。我们通过聚光系统模拟得到的拟合能流曲线后，以编程的方式将能流曲线输入进Fluent软件进行计算，得到了高斯分布的能流边界条件，通过电池的输出的温度-效率特性曲线，对Fluent软件进行反复多次迭代计算得到最后得电池温度热场分布情况，并对电池各组分进行分析，通过改变电池冷却水的流速，电池附近的风速，以及电池的EVA层的传热系数来对比在不同情况下电池的温度分布，并进行优化比较。最后得到整个装置的效率为58.2%。

关键词：低倍聚光，光伏聚光系统，Soltrace仿真，Fluent仿真，传热模型，热场分析

ABSTRACT

Both the advantage of solar heat absorber and PV cell are combined in one device. This article is dedicated in showing a 12x PV/T solar system. This article focus on two points:

1. studying a concentrating solar system . we design a 12X concentrating system based on Fresnel reflection with even sun ray distribution and high efficiency by a rigorous mathematic model. And we stimulate this system by Soltrace . The efficiency of this system is 69.2%. The function of energy flux is given by fitting the data in Soltrace.
2. the application of Fluent to build solar thermal model. This article used Soltrace to simulate and optimize the concentrating solar system, and the coefficient of the concentrating solar system is 69.2%. and we have build a function to describe the distribution of the heat flux. And we programmed the function in UDF in Fluent. Through the variation of the Temperature and efficient of the solar cell, we iterate the variation in the Fluent to simulate a reliable results. The final efficient of the PV/T device is 58.2%.

KEY WORDS: low concentrating solar system, heat transfer model , Soltrace simulation, Fluent simulation, cooling

目 录

摘要 6

ABSTRACT 6

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 聚光光伏光热发电系统 1

1.2.1 概述 1

1.2.2 光伏电池性能特性 2

1.2.3 聚光器 3

1.2.4 国内聚光光伏发展的现状 5

1.3 不同聚光器的比较 6

1.4 本课题的研究内容 7

第2章 聚光系统的设计 8

2.1 采用抛物面和拟抛物面多折面式的聚光系统 8

2.1.1 采用抛物面的聚光系统 8

2.1.2 采用拟抛物面的多折面系统 9

2.2 平面多折面式聚光系统的光学设计的数学模型 11

2.3 参数的优化 13

2.3.1 设计参数的要求 13

2.3.2 电池光斑分析 14

2.4 聚光系统的设计参数 15

2.5 聚光系统性能分析 15

2.5.1 模拟所使用的软件及计算方法 16

2.5.2 模拟参数的设定 16

2.5.3 模拟模型的结构及计算 16

2.5.4 聚光性能模拟计算结果及计算 17

2.6 本章小结 20

第3章 聚光太阳能电池的温度模型 21

3.1 电池物理结构模型 21

3.2 实际电池运行的温度模型 22

3.2.1 模型简化 23

3.2.2 模型能量流动分析 24

3.3 聚光光伏电池组件特性 25

3.4 本章小结 26

第4章 基于fluent软件的电池热场模拟 27

4.1 Fluent软件应用介绍 27

4.2 Fluent软件对光伏电池模型的仿真模拟 28

4.2.1 建立几何模型及网格，设定边界类型 28

4.3 采用不同导热材料下的聚光电池热场分布 32

4.3.1 原组件温度场分布 32

4.3.2 改变流速后的温度场分布 33

4.3.3 改变绝缘层导热系数后的温度分布 34

4.3.4 考虑风速对流传热后的温度分布 35

4.3.4 无聚光时电池温度分布 36

4.4 本章小结 39

第5章 总结与展望 40

5.1 总结 40

5.2 展望 40

参考文献 41

第1章 绪论

1.1 研究背景

对能源的利用的评价一个时代先进性的重要指标，从古时候对燃烧的低效率的热利用，再到蒸汽机的发明，煤炭的利用，燃气机的发明，石油的利用。随着时代的发展，人类对能源的利用也朝着高效率，低污染，可持续发展的方向前进。目前，世界上消耗的能源主要来自石油、天然气和煤炭三大化石燃料，其中，石油、天然气约占60%，煤炭约占25%。而我国相对其他资源丰富的国家来言,比较缺乏石油,对煤炭的依赖性程度高,从长远的角度来说,这种能源布局的方式是不利于可持续发展的.并且，化石燃料的储存量是有限的，据国际能源资料统计：全世界已探明适用于经济开采的石油与天然气的储量约为四、五十年，煤炭储量约有300年左右的开采量。但按目前能源消耗的递增速度增长，如果继续仅依赖化石燃料发电，不仅对于环境造成巨大破坏，也将进一步恶化目前的能源利用的布局。.

虽然我国拥有众多的水力资源，但水电站的投资高，建设周期长，对于投资来说的不合理的，所以我国水电站不仅是作为发电的存在，更是出于蓄水，提高抗洪水、干旱的角度出发的。而且水电的建设受水力资源分布区域限制。因此，人类目前正面临着能源终将枯竭的这一难题，随着社会发展，必须开发、利用新能源。众多专家们认为，用太阳能缓解对于新能源的利用需求。

1.2 聚光光伏光热发电系统

1.2.1 概述

太阳能集热管的出现早于太阳能光伏电池，集热管的技术在一段时间内相对于光伏电池技术成熟。由此采用光伏光热系统的搭配就诞生了。光电池所采用的光学聚焦系统倾向于高倍聚焦系统（高达30倍聚光）。但是采用这样的高倍聚光通常要求对电池提出较高要求或采用更昂贵的聚光系统。光电池的冷却主要采用散热槽散热(passive heat sinks)。商业光能电池的光电转化效率还是比较低， 通常在5%-20%。大部分所吸收的能量，80%-95%，都被再次释放到了周围环境里。在1980年间，无聚光式的采用光热混合的能量采集器出现了。这种混合装置同时利用的光伏效应和光热效应，通过利用光电池薄板作为光电发生器和光热收集器来生产电能。热能从光伏电池传输到热能吸收器，从而达到了冷却光电池的效果。这样可能使光电池的平均工作温度比传统的光电池的要低，从而提升光电池的工作效率。因为光热一体化装置在热能和电能上的利用表现都比同等的，采用单一技术的装置要优越，从而生产同样的电能所需要的面积更小。所以光热装置总的效率有了提升。

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