太阳能热光伏系统性能分析研究终稿

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1、太阳能热光伏系统性能分析研究陈雪宣益民韩玉阁（南京理工大学动力工程学院，江苏南京210094）摘要：本文建立了太阳能热光伏系统（STPV）能量吸收及热辐射发电过程的数理模型，数值模拟了不同聚光器聚光比时辐射器的温度分布，研究聚光比及辐射器温度对电池伏安输出特性及系统效率的影响。随着聚光比的增大，辐射器表面温度显著增高，电池的输出功率及系统效率也成直线增长；分析了影响系统效率的关键参数如滤波器、电池温度和辐射器上下端部材料表面反射率对系统性能与输出电功率的影响。计算结果证明了STPV系统的可行性，形成了高效STPV系统的优化设计方法。关键词：太

2、阳能热光伏，辐射器，系统效率1引言太阳能热光伏系统（STPV）是在热光伏系统的基础上发展而成的一种新型光电转化装貫，其基木原理是通过聚光器会聚太阳光来加热辐射接收器，使其达到一定的《温，再rh光电池将其发出的辐射能转化为电能。STPV系统采用清洁可再生的太阳能为热源，具有无污染、高转化效率、体积小便携等优点。0前，国外对于太阳能热光伏系统的研究已投入广泛关注，如美国EDTEK公司［11，俄罗斯物理研究所［21及美国NASA研究所都己通过STPV系统实验测试阶段，产品正逐步推向市场及军事领域。而国内对于STPV系统的研宂还处于空白阶段，尚未引起

3、足够的重视。一个典型的太阳能热光伏系统由两个基本模块组成：太阳能聚光器和光电转换装罝。而一个光电转换装置主要包括：热辐射器、光学滤波器、光电池，其它子系统是作为提高系统的转换效率或者为能量的回收利用而适当增加的，如电池散热片、辅助组件等。本文分别以STPV系统中的能量吸收装置（聚光器+辐射接收器）和热辐射发电模块（辐射器+滤波器+电池）为研宄对象，研宄光电直接转换过程，构建辐射接收器吸收太阳能及瞬态传热过程的数学物理模型，分析计算不同聚光器聚光比时辐射器表面的温度分布，同时对STPV系统的光电转化过程进行数值模拟，并分析各个参数对系统性能的影

4、响情况，以期建立STPV系统的优化设计方法。2系统性能模型阁1为太阳能热光伏系统结构示意阁，包括聚光器、辐射接收器，滤波器，电池组，上图1STPV系统结构示意图Fig.1SchemeofSTPVsystem基金项Eh江苏省自然科学基金jfi点项S3(No.BK2007726).木文联系人：E-mail:ymxuan@njust.cdu.cn,TEL:02584315700下反射层等，辐射接收器采用耐商温灰体材料，滤波器为Si/SiO2光子晶体滤波器

5、41,电池为低禁带的m—V族GaSb电池，上下反射层用来反射辐射能以保证辐射器发出的辐射能被电

6、池充分吸收n1。辐射器和电池组安装在同轴圆柱L&i上，接收器空腔上端采光口直径随聚光器聚光比及所产生光斑的大小变化，辐射接收器壁睜2mm,高3cm。电池所在柱面直径力4cm,单诀电池表面为2cmxlcm的方形结构。2.1太阳能聚光器在STPV系统屮采用卡塞格伦型聚光器［1］会聚太阳能呈，该聚光器由两级反射镜纟II成，-•级反射镜为旋转抛物血反射镜，二级反射镜为旋转双曲面反射镜，抛物面型反射镜球差为零，而双曲面镜又可将射入其一个焦点的光朿严格反射至另一个焦点，没有像差:51，因此一台精密的卡塞格伦型聚光器应将垂直入射的太阳光线严格会聚于一点。由

7、于两级反射镜加工屮不可避免的会产生误差，这里假设垂直入射的太阳光线经聚光器会聚后会产生一定大小的光斑，取聚光器聚光比变化范围为2000〜8000，一级反射镜入口直径60cm，则聚光器所产生的光斑直径在6mm~13mm范围内变化。其中聚光比定义为：CR=(a/a,)2(1)式屮，〃一一级镜入射孔径，一经聚光器会聚后在焦点处形成的光斑直径假定太阳光线为平行光，地面川'接受的最大太阳辐射强度为850W/n?61。两级反射镜的反射率均为0.92(11,部分太阳能量在反射过程屮损失。2.2辐射接收器能量平衡方程的建立辐射接收器吸收由采光口进入的太PI1

8、能量，温度升高，对电池发出辐射能，以实现光电转换。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，可认为辐射器和电池间的辐射换热发生在密闭腔中，而在接收器空腔中，存在能量的泄漏，部分射入的太阳能量以及辐射器发出的辐射能将由入口处泄漏,从而引起能以的损失。对模型作出以下假设:①经聚光器会聚而来的太阳光束全部进入接收器空腔对其进行加热，②辐射接收器为耐高温灰体材料，其吸收率及发射率均为0.85:③所有表面均为漫射表面：④只考虑辐射器表Ifif的热辐射，由于其他表面的温度均远低于辐射器温度，根据辐射叫次A关系，忽略上下反射面及电池表面热

9、辐射是合理的。2.2.1辐射器A部节点能量平衡方程针对辐射器内部第(i，j，k)个面元。根据能量守恒定律，得出该面元的热平衡方程：Qi+Q^>+Qi-pcp^v—=