一种应用于家庭的聚光光伏热系统的设计和建模外文翻译资料

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一种应用于家庭的聚光光伏热系统的设计和建模

摘要：本文提出了一种聚光光伏热理论模型，并在该模型满足家庭使用的电力负荷及加热/冷却负荷的前提下，对该模型的热力和电力性能进行了仿真。首先需要考虑的是选择聚光光伏热系统的组件及尺寸大小。利用点焦点型抛物面反光聚光镜和组装在双轴追踪器上的三节电池(磷化镓铟电池/硫化镓铟电池/锗电池)来获得高聚光系统。考虑使用光伏电池的主动冷却系统。为了满足冷却负荷，聚光光伏热系统能够在高温时当作吸收热泵进行热能回收工作。该模型从直接正常的光照，电池效率，模块电气和热效率等方面分析了聚光光伏热系统在不同时间水平（每年，每月，每天，每小时）下的工作情况，热和电能是由电池和模块，电池和冷却液温度提供的。和传统系统相比，仿真过程中允许对不同工作条件下的聚光光伏热系统设定最佳配置并且可以评估聚光光伏热系统的能量和经济利益。

关键词：聚光光伏；聚光光伏热系统设计和模型；家庭应用。

1 引言

和传统发电系统相比，光伏发电系统发电非常具有竞争性；在过去的几年里，就聚光光伏系统已经有了极大的发展。在聚光光伏系统中，太阳辐射通过多种光学设备进行集中，这样可以减小太阳能电池的面积所占的比例（C）；C 是光能收集区面积占太阳能电池总面积的比例。聚光系统由三部分组成：接收器，光学聚焦器，太阳能追踪器。接收器是包含太阳能电池和散热系统的组件；光学聚焦器可以使太阳光聚焦在接收器上；由于聚光系统需要和阳光直射组件一起工作，所以接收器和光学聚焦器需要利用单轴或双轴的太阳能追踪器来使在任何时刻接收到的光照强度达到最优化。关于光学聚焦，有两种基本解决方案。第一种方案是利用多种形式的透镜进行折射达到聚焦目的；有时为了使在太阳能电池上的光照聚焦达到最佳效果，可以再多使用一个光学元件进行聚光。第二种方案是利用抛物面聚光器进行光学聚焦，主要由一个能将光照聚焦在太阳能电池上而不倒映光源图像的抛物面镜面组成；此外，可以将二次导光光学元件与这个系统结合起来，来增加聚光效果，加强光照辐射焦点。另一个重要的方面与太阳能电池的使用有关。在过去的几年中，三节电池的使用更加广泛。三节电池由一个电压-电流特性，即随着聚光光照强度的增加，电压-电流呈对数方式增加。它们受温度升高的影响也较小，温度升高，开路电压只下降较低的百分比；因此，超过30%的效率都能通过实验达到。根据光线焦点和接收器的不同，现在有很多不同的聚光系统类型，根据聚光效果可以分为低效、中效、高效三类聚光发电设备。在许多研究中，是在对电气性能的评估上得到的聚光发电的优点。抛物面聚光器被提出可在低效聚光系统中被使用。对使用高性能电池阵列，如砷化镓电池，来代替传统电池的可能性进行了研究，利用线性反射镜聚集光照辐射，采用热回收系统，以获得较高的电气性能和较高的热能。热能可以被太阳能电池以两种方式回收，一种是利用冷却液主动回收热系统，一种是利用自然对流换热机制被动冷却系统。热量传递的主动机制对太阳能电池的冷却及获得可利用的热能都是很重要的。对一个小尺寸的基于能将光照辐射反射在单个太阳能电池上的抛物面反射器的聚光光伏热系统进行了分析。该系统提供了一个能从太阳能电池提取热量并将热量传递给冷却液的特殊的热量传递机制；热效率约为60%，同时电效率可高出20%。可利用的热量不仅可以用来加热和用作卫生热水，也可用来被冷却。聚光光伏热系统已经和一个单级溴化锂吸收热泵连接，组成这样一个太阳能冷却系统。此外，采用一种既可以追踪光照辐射，又使能让传热流体不占太多空间进行流动的管道具有正确位置的装置是很重要的。特别指出，本文提出了一个MATLAB模型，目的是为了评估家用聚光光伏热系统的电气性能和加热/冷却性能。抛物面点焦点型反光镜和三节电池安装在双轴太阳能追踪器上，是为了获得高效聚光系统。和传统光伏系统不同，聚光光伏热系统能在高温时回收热量；因此，聚光光伏热系统和吸收式热泵进行耦合，可以满足冷却要求。这个模型可以改变聚光光伏热系统组件的大小，计算垂直光照辐射值，并能和传统系统从能量和经济角度进行比较。

表1.各组件选择标准

2 聚光光伏热系统的描述

本文模拟的聚光光伏热系统（图1）利用集中太阳能来满足不同的家用能量需求。本系统利用了一个小型抛物面聚焦性反光镜来获得高效的光照聚焦系统，将光照辐射反射到放置在精确位置的三节电池上，三节电池在冷却盘上，冷却盘上有大小合适的冷却液流动管道。本系统和双轴追踪机构一起组成一个完整的系统；特别是，提出在本系统中考虑使用旋转框架，将聚光器放在旋转框架上来追踪太阳运行轨迹。这个框架通过一个执行器随着太阳高度升高或降低。该系统的主要特点如表1所示。对于该系统在家庭中的应用，为了优化系统所占用的空间，聚光光伏热系统是模块化的，每个模块由90个电池组成。因此，使用边长为9mm的正方形电池，聚焦效果可达到900times;，每个聚光器都是一个面积为0.073m²的抛物面聚光镜。模块总体积的计算包括了所使用的光学元件，每个电池的面积和电池的个数，以及聚光因子。此外，组成模块的电池的布置是很重要的。经过几何计算，可以确定和其他布置形式（如菱形、圆形等）相比，将模块的电池排成多个平行行列形布置成矩形，可以占用更少的空间。为了减少串联电池的数目又不影响模块的性能，将这90个电池排成6行，每行由15个单位组成。为了计算每个模块所占用的空间，那么久必须知道电池的尺寸和聚光因子，聚光因子是用来确定聚光器的面积，根据聚光器面积可以估算聚光侧面积；因此可以得到一侧为0.27m。假设15个串联电池每两个电池的间距等于聚光器的半径，那么模块的总长度就为5.94m（如图1）。模块的宽度根据相似的方式计算可得为2.43m，同时为了冷却液管道的安装，还考虑了六个平行行之间的间距；因此，单个模块占用的总面积为14.43m²。通过查询意大利南部地区得知，聚光光伏热系统一般由两个模块组成，因此系统总面积约为30m²。图2展示了一种利用聚光光伏热系统来满足家庭能量使用要求的设计方案。特别说明，聚光光伏模块和水箱组合作为热水储存器工作。自来水经过混合得到乙二醇溶液，到达水箱，送到聚光光伏热系统并对系统进行冷却。如图2所示，设计了一个单击吸收热泵，来吸收聚光光伏热系统工作产生的热量。这个体系提出了一个能实现热能集成的传统锅炉和一个能将聚光光伏热系统所获得的直流电转换成交流电的转换器。经分析可知还需要一个并网系统；它可以使利用网络将电力一体化，并能将多余电力返还给系统成为可能。

图1.聚光光伏热模块设计

图2.聚光光伏热系统的家用设计

3 聚光光伏热系统动态模型

前文所说的聚光光伏热系统仿真模型需要对主要的内生变量和外生变量进行定义。首先是不可控的外部因素（阳光辐射、大气条件、环境温度），但是可以对这些因素进行估算和参数化处理，来模拟聚光光伏热系统不同的工作条件下。其次是描述系统工作特征的内部变量。为了对各种操作条件下的系统进行分析，主要的系统变量（光学、电池尺寸、聚光因子、负荷）已被进行适当变化。聚光光伏热系统已经在MATLAB软件中建立并被分为几个步骤（如图3）。分析模型的第一阶段是输入数据（光学、电池大小、地理位置等）。然后是对描述聚光光伏热系统工作特征（电池温度、电池效率等）的主要变量进行参数化，最后，就能得到模型的结果（热能、电能、模块效率等）。输入的组成模型的数据和方程将在下文中进行说明；有时由于聚光光伏热系统的复杂性，要求对数据和方程做近似处理。

图3.聚光光伏热系统模型流程图

3.1 模型数据输入

首先，必须确定聚光光伏热系统的安装位置；本模型中包含了几个意大利地区的维度、经度以及海拔高度。此外，在估算阳光直接法向辐射时云层覆盖的平均值也被考虑在内，在30年来的云层统计基础上进行了计算。其他输入的数据为所采用的光学元件和组成单个模块的电池有关的数据，包括电池的面积及个数。

3.2 直接法相辐射

3.3 电池效率及温度

3.4 电能及热能

3.5 出口流体温度

聚光光伏热系统同样可以计算出口流体温度，流体通常为水和乙二醇，用来对电池进行冷却和提供家用热能。特别指出，聚焦在三节电池上的太阳光线可以加热紧贴在电池（见表1 ）下方的吸热板。使用聚合绝缘材料，来避免热量损失。如下所示为电池和吸热板之间热量交换的调节方程：

一旦计算出实际热功率，就能通过这个方程获得吸热板的温度。为了满足家用卫生热水及加热/冷却的需求，必须确定出口液体的可能最高温度。在假设吸热板的温度是均匀的前提下，可以对吸热板的温度进行计算。综合考虑热力学第一定律和热交换器的设计方程，可以得到以下方程：

式中分别为出口和进口液体温度，为全球电导。因此，可得出口温度为：

4 结果分析

4.1 输入数据定义负荷

这个模型可以对每天，每月，每年的结果进行评估，来确定主要技术特征，这对实现最高效聚光光伏热系统来说是必须的。仿真过程主要输入的数据是安装地点，光学元件类型，电池尺寸，模块的电池数量以及聚光因子。特别指出，在聚光光伏系统仿真过程中考虑了两种类型的光学元件：菲涅尔透镜和点焦点抛物面聚光镜。在仿真时，对于使用透镜的系统，电池尺寸在1平方厘米到2平方厘米之间；对于使用反光镜的系统，电池尺寸在8平方毫米到9平方毫米之间。聚光因子在600times;到900times;之间，每个模块的电池数量为60到120个。这个模型在全意大利实现了仿真，并能对聚光系统进行最优化定义，特别是在意大利南部，本系统得到结果更加便利。一所房子对能量（电力，加热/冷却）的需求是与房子所在的位置有关系的。本次仿真考虑的是面积为80到200平方米，居住了2到6人的房子。每年的电力需求在19到30千瓦时每平方米。例如，在罗马，一个100平米，居住4人的房子，一年的电力消耗大约为2820千瓦时。关于卫生热水的消耗是基于图表的理论进行计算的；人均用水指数为75升每天，平均热能消耗为300千瓦时每月。加热/冷却的热量消耗取决于所在的位置，每个月的消耗都被估算了出来。例如在巴勒莫，冬月时每个月用来加热的热能平均水平为1800千瓦时；至于冷却，回收式热泵的冷却功率峰值为7千瓦，每月冷却所需的能量约为1100千瓦时。

4.2 聚光光伏热系统模型仿真结果

4.3 聚光光伏热系统的经济分析

5 结论

本文也从热的角度对聚光光伏技术的潜力进行了预估。主要目标是为了从能量和经济角度预估家用聚光光伏热系统的便利，对不同操作条件下的系统进行了尺寸确定和MATLAB仿真。首先，定义了聚光光伏热系统的所有组件。对于如何获得高效聚光系统，就考虑了两种光学装置：折射（透镜）和反射（抛物面聚光镜）。对于多节电池的选用，为了达到理想的高效聚光，选用了三节电池（磷化镓铟/硫化镓铟/锗)）。再加上双轴太阳能追踪系统和太阳能主动冷却系统，本系统才算完整。该模型还可以对不同工作时间水平（每年，每月，每天，每小时）的聚光光伏热系统进行分析，可以对系统的电池效率，电模块和热模块效率，电池和液体温度，以及由单个电池或模块提供的热能和电能进行分析。仿真过程允许对聚光光伏热系统在不同操作条件下定义最好的配置，并且能在意大利南部预估该系统的高潜力，但不能在意大利北部预估。参考意大利南部地区该系统的建立，该系统是由一个反光聚光镜，高聚光因子，面积为81mm²的电池以及两个模块组成的，每个模块有90个电池。这种结构所获得的能量能使房屋对电力和冷却的需求自给自足，当然一年中有几个月是需要热能集成来进行加热的。此外，还观察到，出口液体的温度约为90℃， 需要在聚光光伏热系统中使用回收式热泵。随后，从经济角度对在相同操作条件下

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