集中式光谱分裂光伏/热系统的多参数优化：几何参数与光谱分配的协同考虑

《Renewable Energy》：Multi-parameter optimization of a concentrated spectral splitting photovoltaic/thermal system: Integrating geometric parameters and spectral allocation

本研究提出集中式光谱分裂光热/光伏（CPVT）系统几何参数与接收光谱的协同优化方法，通过蒙特卡洛光路追踪与等效界面法建模分析发现，光谱束分器（SBS）负焦距偏差对系统效率影响最显著，-5cm偏差导致热电转换效率下降9.2%和综合热效率降低24.5%。优化后系统在740mm SBS安装高度、436-1072nm光伏光谱接收范围时实现24.4%热电转换效率，较传统系统提升显著，为工程化应用提供理论指导。

　　太阳能集中系统在高温运行环境中会引发材料退化和光伏转换效率下降的问题。光谱分割技术通过选择性利用不同波长的光，有效解决了集中光伏/热系统中光电效率与光热效率之间的矛盾。本研究提出了一种优化方法，用于集中光谱分割光伏/热系统的几何参数和接收光谱，以提高系统的整体效率。通过对组件几何偏差和光学特性的建模分析，发现光谱分束器的负焦距偏差对系统效率影响最为显著。在-5厘米的焦距偏差情况下，系统热力学转换效率和综合热效率分别下降了9.2%和24.5%。系统效率与集热器的反射率、分束器在有效发电波段的反射率以及光伏模块的吸光率呈正相关。优化设计结果显示，当光谱分束器安装高度为740毫米，光伏模块接收光谱范围为436-1072纳米时，系统热力学转换效率可达到24.4%。集中光谱分割光伏/热系统在能源采集和环境可持续性方面表现出优于传统太阳能系统的性能。优化后的系统设计为实际工程应用中的系统配置和安装调试提供了理论指导。

随着全球温室气体排放的增加，特别是二氧化碳的大量排放，气候变暖问题日益严峻。全球地表温度持续上升，海平面上升速度加快，冰川加速融化，这些现象引发了前所未有的环境挑战。极端高温、洪水等天气事件的频率逐年增加，对人类居住环境构成严重威胁。在这一背景下，向低碳能源系统转型成为实现可持续发展的关键路径，推动了可再生能源技术的发展。在可再生能源领域，风能、太阳能和潮汐能是最主要的能源形式。其中，太阳能因其丰富的储量和广泛的应用潜力，成为最具前景的能源之一。

太阳能的利用方式包括光热（PT）转换和光伏（PV）发电。传统的光热系统主要应用于低温热能领域，而普通光伏系统则受到光伏模块效率的限制，导致太阳能的利用率较低。相比之下，集中太阳能技术在转换效率、能量储存能力和应用场景方面具有多方面的优势，从而克服了传统技术的关键瓶颈。集中太阳能技术已广泛应用于太阳能热化学、集中光伏（CPV）和集中太阳能热（CST）等多个领域。例如，Liu等人通过使用全玻璃真空集热管优化了多段复合抛物面集热器的光热转换性能，其系统平均热效率达到61.0%，热传递流体的平均输出温度为350.9 K。Kasaeian等人实验表明，使用0.3%碳纳米管/乙二醇纳米流体的抛物面槽式集热器，其热效率比基础流体提高了17%，光学效率为71.4%。Jiang等人开发了一种结合菲涅尔透镜和抛物面镜的优化太阳能收集器-反应器耦合系统，该系统在6 kW氙灯照射下，腔体接收器的温度分别达到964 K和1024 K。从技术和经济角度来看，Janjai等人对三种10 MW CST系统进行了比较分析，包括抛物面槽式、塔式和盘式斯特林发动机系统。其中，抛物面槽式系统的平准化电力成本最低，为0.30美元/千瓦时。此外，集中光伏/热（CPVT）系统通过同时进行电力生成和热能采集，成为实现全光谱太阳能利用的高效途径。

传统CPVT系统面临的一个主要挑战是，高效光伏发电需要较低的温度，而热传递流体则需要较高的温度输出，这导致了温度需求之间的权衡问题。已有大量研究探讨了先进的热管理策略，以减轻热热点和机械应力，从而实现优异的温度均匀性和更高的净电力输出。此外，光谱分束器（SBS）通过选择性传输和反射不同波长的光谱，使光伏模块和热能收集器能够同时利用太阳光谱，从而提升整体系统的效率。为了克服这一挑战，一些新型解耦CPVT系统利用SBS原理被提出。例如，Chougule等人展示了利用Ag-ZnO/水纳米流体滤光片的SBS PV/T系统，在优化条件下（50 ppm，800-1000 W/m2，20毫米光学厚度）实现了超过65%的热效率，并且光伏模块的电气性能保持稳定，凸显了其增强的光谱选择性、经济可行性和可持续运行能力。Shou等人报告称，使用TiO?/SiO?宽带薄膜滤光片的集中混合系统，其效率比未使用滤光片的集中系统提高了近2%。Guo等人进一步推进了这一领域，对一种新型的集中光谱分割光伏/热（CSSPVT）联合发电系统进行了光学设计和多物理优化，其系统在直接正常辐照度为650 W·m?2的情况下，实现了高达72.64%的总太阳能利用率。Zhang等人提出了一个用于全光谱CSSPVT系统的多目标优化框架，通过纳米流体的集成光学-热-电建模和熵加权多准则分析，实现了60.94%的热效率和30.09%的光伏效率，并且光伏板的热均匀性提高了42.18%。

目前，关于CSSPVT系统的研究主要集中在优化光谱分配策略上。选择最佳光谱波段并不是绝对的，而是取决于热能与电能价值的相对评估。Huang等人建立了一个理想化的光谱分割光伏/热模型，以确定其极限效率并识别最佳光伏材料和滤光范围，结果表明在特定的热能与电能价值加权条件下，总能效可以超过单独光伏或太阳能热系统的效率超过30%。Zhu等人对光谱分配对光伏-热化学混合系统的影响进行了实验研究，结果表明在610 W/m2的照射下，将截止波长从600纳米增加到850纳米，光伏效率从16.3%提升至20.3%。同时，关于系统几何参数对性能影响的研究主要集中在太阳能收集器（SC）上。Ravanbakhsh等人通过几何和物理特性研究，确定了最佳的SC定位，发现六月和七月的太阳辐照度（1,038 W/m2）和热通量（11,550 W/m2）达到最大值。然而，对于光谱分束器几何参数对系统性能的影响，研究仍较为有限。

本研究的目标是提出一种优化方法，用于集中光谱分割光伏/热系统的几何参数和接收光谱，并通过建模分析探讨光学组件几何偏差和光学特性对系统性能的影响。该CSSPVT系统采用光谱分束器将有效发电波段（EPGB）反射至光伏模块表面进行发电，同时将非发电波段（NPGB）传输至热能收集器，从而实现全光谱太阳能的利用。数值模拟主要关注系统结构特性对各组件光路的影响、光谱分束器的光谱分割特性以及整个系统的热力学性能。为了量化各组件表面的光接收情况，采用了蒙特卡洛光线追踪（MCRT）方法。光谱分束器的光学薄层模型则通过等效界面方法和导纳矩阵理论进行设计，结合了分析和优化方法。对光伏发电模型进行了实验验证，并对CSSPVT系统与传统太阳能利用系统的能量效率进行了比较。优化后的系统设计为实际工程应用中的系统设计、安装和调试提供了理论指导。需要指出的是，该光学模型假设光谱分束器的涂层行为是理想的，未考虑实际应用中可能出现的与角度相关的损耗、表面散射和热退化等影响，因此建立了理论性能上限，并识别了关键的优化趋势。