抛物槽式光伏光热集热器的实验表征与数值研究

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Experimental characterisation and numerical Investigation of a parabolic trough Photovoltaic–Thermal collector

　　

• 低浓度光伏/光热集热器（CPVT）的热学与电学特性表征 • 建立集光器耦合的三维光学、电学与热学模型 • 实验获得的最大热效率与电效率分别为60%和8% • 动态测试与稳态测试特征效率曲线的比较 • 动态状态下集光器测试中混合应用IEC与ISO标准 引言 光伏-光热（PVT）集光器可同时产生热能和电能。然而，大多数PVT集光器的热输出温度在60 °C以下[1]-[5]，限制了其在工业过程加热领域的应用。聚光技术可达到更高温度（250–750 °C）[6]。因此，带PVT接收器的聚光器（即CPVT集光器）已成为研究热点，以解决这一问题——通过在平板式集光器上附加聚光组件，它们可以达到更高温度，产生的电力是平板系统的三倍，热功率是平板系统的两倍[7]。此外，由于接收器面积更小，这些集光器的热损失也更低。目前，CPVT集光器中使用了不同类型的聚光器，如抛物面槽式集光器（PTC）[8]、复合抛物面聚光器（CPCs）[9]、抛物面碟式聚光器[10]和线性菲涅尔反射器[11]。全球已安装的PVT和CPVT集光器装机容量分别为820 MWth和290 MWel，总集热面积接近1.6 km2[12]。 近年来，CPVT集光器在过程热工业中找到了适用性，如乳品业[13]和纺织业[14]。这些集光器是否适合某一应用取决于其在所需工况下可靠交付热能和电能的能力。因此，准确表征其性能对于确定CPVT集光器可有效部署的运行范围至关重要。已提出了多种太阳能集光器表征标准，包括ISO 9806和IEC 62670-3。尽管已为聚光式热系统和聚光式光伏（PV）系统建立了表征标准，但混合技术（CPVT集光器）尚无明确的规范指南。对于太阳能热集光器，ISO 9806规定了两种性能评估方法：稳态测试（SST）和动态测试（DT）。SST仅在短时间内接受理想气象条件，从而呈现集光器的峰值性能。而DT对可接受的气象条件范围更具灵活性，需要更长的测试时间，呈现集光器更为保守且更贴近实际的性能。然而，文献中大多数研究采用SST而非DT来评估集光器，这可能是由于全年中动态气象条件的天数与稳态气象条件的天数之比约为2:1[15]。另一方面，对于CPVT集光器，文献中很少测量和报告PV电池的特性参数，如电压、电流和温度。以下综述CPVT集光器测试的相关研究。 采用PTC的CPVT集光器有多种设计。例如，Coventry等人[16]在澳大利亚表征了一种基于PTC的CPVT集光器，使用线性接收器，聚光比（CR）为37。采用水和防冻剂的混合物作为传热流体（HTF），使用28片单晶硅（c-Si）PV太阳能电池进行发电。报告的最大热效率和电效率分别为ηthmax = 58%和ηelmax = 11%。该研究特别关注了非均匀光照分布及其对PV电池的影响，在闪光测试仪下呈现了电学特性。然而，尽管PV电池温度对电性能相关，却未作为集光器表征的一部分进行测量。此外，作者采用了专门为其研究开发的方法来表征集光器的热学和电学性能。 Bernardo等人[17]明确解决了这一问题，通过研究CPVT集光器缺乏标准程序并提出了一种稳态测试（SST）方法来表征基于PTC的低聚光比PVT（LCPVT）集光器。所研究的集光器具有三角形接收器，开口面积为4.6 m2，CR = 7.8。集光器性能评估显示ηthmax = 56%，ηelmax = 8.4%，热损失系数为2.3 W/(m2·K)。然而，在一种情况下未遵守ISO 9806关于测试期间保持PV电池工作的规定，导致集光器出口温度略高。此外，未测量电池温度，测试期间对电学特性的关注较少。Del Col等人[18]也报告了类似问题，并同样指出CPVT表征缺乏专门标准。他们的研究考察了一种集成在PTC中的CPVT集光器，采用高成本三结（GaInP/GaAs/Ge）太阳能电池，铝卷接接收器，聚光比为130。作者采用SST在意大利进行了两种工况的测试：PV电池不激活（开路）和电负载下运行（最大功率点跟踪）。第一种工况中，进水温度从20 °C变化至45 °C，获得ηthmax = 70%。第二种工况中，进水温度在20 °C至80 °C之间变化，实现ηthmax = 52%和ηelmax = 18%。这些结果表明PV运行状态对评估CPVT热性能很重要，因为电运行点直接影响PV阵列内部产生的热量。然而，对于PV电池阵列，仅呈现了电效率，未呈现电学元件和PV电池温度。 其他实验研究也类似地聚焦于CPVT性能的特定方面，而对两个子系统的耦合行为提供的信息有限。Cabral等人[19]表征了一种具有CPC和楔形接收器（CR = 2）的CPVT集光器。混合PVT接收器两侧各安装了24片四分之一尺寸c-Si PV电池，有效吸收面积为0.8 m2。实验测试显示热效率为59%，电效率为8%。总热损失系数报告为4.1 W/(m2·°C)。未测量PV电池温度，对电学元件的关注也很少。该研究重点关注横向和纵向方向的入射角修正器。Karathanassis等人[20]的研究中也明显存在对PV相关变量测量有限的问题，尽管该研究采用了更为详细的实验方法。作者开发并表征了一种基于PTC的双轴跟踪CPVT集光器，采用定制c-Si PV电池安装在方形截面接收器上。研究了两种微通道/散热片和两种PV电池配置，以评估其对集光器冷却和性能的影响。此外，该研究还提供了聚光器光学质量和集光器耦合电热行为的详细评估。表征按照ASHRAE 93-2010和ASTM E905-87标准进行；采用准稳态方法跟踪PV电池的最大功率点，获得ηthmax = 44%和ηelmax = 6%。然而，PV电池在可变电阻负载下运行以追踪电流-电压曲线。作者承认这种方法引入了测量不准确和与最大可用电功率的偏差，这可能还会影响电池温度，从而影响热性能。此外，所测量的温度是用胶带粘合PV电池的铝基板的温度。尽管该测量可能提供电池温度的近似值，但并不直接代表电池的温度。Zhang等人[21]将CPC（CR = 4）与附加在具有挡板换热通道热吸收器上的PV电池集成。优化了热吸收器，挡板中间间距调整为60 mm，两侧为45 mm。实验未引用特定测试方法进行。对流量和进水温度进行了变化和优化（65 L/h和20 °C），获得ηthmax = 55%和ηthmax = 13%。然而，热效率约9.6%和电效率约6%的相对较高不确定性给所报告的性能带来了相当大的差异。尽管测量了PV面板温度，但不清楚温度传感器是否与PV电池或模组直接接触。这些研究中确定的方法学局限性促使一些作者结合现有标准，开发更系统的CPVT表征方法。Cabral[22]将ISO 9806:2017稳态测试与IEC 62108:2016相结合，以弥补CPVT技术缺乏特定标准的问题。该研究比较了对称和非对称CPC基CPVT集光器，并解决了缺乏专门CVPV标准的问题。在这方面，对称和非对称情况的光学效率分别为62.3%和61.8%。此外，MaReCo几何形状使热效率分别提高了3.5%（对称）和2.5%（非对称）。两种情况的电效率均达到10.6%。未监测PV温度，仅监测流体温度。Cabral等人[23]同样结合相同标准对瑞典和希腊表征的双轴跟踪CPVT集光器进行了研究。该研究比较了手动和自动太阳跟踪，报告的最大热效率和电效率分别为ηthmax = 52%和ηelmax = 11%。集光器分别在瑞典和希腊进行了表征，重点比较手动和自动太阳跟踪。目的是比较手动和自动跟踪的性能，因为它们在维护、前期成本、人工干预等方面可能存在很大差异。效率差异仅为5%，证明了手动跟踪的可靠性，即使使用不同的入射角修正器（IAMs）也是如此。有效热容量也通过ISO 9806程序进行了计算和实验测定（62.6 kJ/°C），这是与本论文所呈现方法不同的方法。然而，测量和报告的是PV模组温度而非电池温度。 除实验表征外，数值模拟也被广泛用于研究CPVT集光器的耦合光学、热学和电学行为。Gorouh等人[24]提出了一种A形接收器集成在基于PTC的CPVT集光器中，其性能通过简化的零维模型进行估算，该模型求解能量平衡方程以预测出口、PV电池和接收器温度，假设均匀热通量和恒定接收器温度，随后计算热效率和电效率。模型与SST数据进行验证。设计集光器的ηthmax = 70%，ηelmax = 6%，模型与实验的平均偏差和最大偏差分别为6.5%和12.5%。此外，去除玻璃盖板可将电效率进一步提高10%，代价是热效率降低13%。类似地，Yazdanifard等人[25]开发了数值模型来评估具有矩形截面接收器的PTC基CPVT集光器效率。他们探讨了流动状态（湍流或层流）、接收器长度（0.015–0.04 m）、HTF组成（TiO?/水或水）和CR（4–20）对集光器热学和电性能的影响。将接收器长度从0.5 m增加到5 m，在湍流状态下使PV系统能量效率降低9%，同时火用效率增长34%。出口温度和PV电池温度均随CR增大而升高。使用TiO?/水纳米流体作为HTF代替纯水，在层流条件下使集光器热性能比湍流条件提高1.5%。Demircan等人[26]也研究了不同的接收器几何形状，评估了使用不同HTF的三角接收器CPVT-PTC的电和热性能。比较水和制冷剂R134a作为HTF，发现水比R134a产生更高的总效率。然而，对于R134a，入口和出口温度之间的温差更大（约33 °C），同时由于接收器中温度分布均一化而防止了PV电池损坏。将集光器入口温度从30 °C提高到50 °C，PV电池效率从11%降至9%。PV模组的串并联连接优于纯串联配置，差异为11%。完全交叉连接的配置在非均匀太阳辐照条件下降低了集光器性能。超越传统接收器配置，Barthwal和Rakshit[27]为基于CPC的LCPVT集光器开发了光-热-电模型，其中采用ZnO纳米流体作为光谱分束的光学滤波器。

利用该模型进行了蒙特卡洛光线追踪模拟，其结果作为计算流体动力学（CFD）模型的输入，用于预测集热器出口温度和光伏电池温度。引入滤光片后，电池温度从380 K降至330 K，时间为6月，即印度新德里一年中最热的季节，从而在太阳正午条件下获得η_el_max=18%。Chandan等人[28]使用ZEMAX软件研究了基于抛物面槽式（CPC）的PVT集热器性能，分析了聚光器的光学性能。从ZEMAX获得的光学数据被用作COMSOL共轭传热模块中的边界热源，以估算集热器的热能和电能性能，获得η_th_max=40%和η_el_max=11%。所选文献中关于CPVT集热器的主要发现表明，数值研究中的热效率和电效率通常高于实验结果（见表S1）。这种差异可能源于数值模型中采用的假设，如均匀热流、理想化热边界、简化的光学行为或理想的光伏运行条件。这表明这些研究在准确确定集热器实际效率方面可能存在考虑不足，需要加以解决，以建立优化集热器的坚实基础。此外，现有文献显示CPVT集热器表征方面存在空白，因为大多数研究采用最初为太阳能热集热器开发的方法，无论是标准化方法还是非标准化方法。这是可以预见的，因为定义评估CPVT集热器的方法并非易事。即使将几何形状限定为仅PTC和CPC，CPVT集热器的设计也存在差异。一些作者已意识到这一问题[17]、[23]。只有Cabral等人[22]、[23]尝试通过应用两个标准，即ISO 9806和IEC 62108，来解决这一问题，以估算集热器的热能和电能性能。ISO 9806:2017标准明确侧重于太阳能集热器的热性能测试，包括混合PVT系统，但并未提供电能性能测试的指导。因此，虽然在评估热输出方面有用，但在全面评估电能性能方面留下了空白。IEC 62108是针对聚光光伏（CPV）系统的标准，但其重点在于系统要求和设计认证，而非电功率性能。ISO 9806和IEC 62108均未规定电功率表征程序。IEC 62670–3恰好填补了这一空白。它定义了确定CPV电能性能的测量程序和设备。值得一提的是，作者之前的工作[29]介绍了结合这些国际标准的关键要点。然而，实验数据不足以认为集热器已被充分表征，且电能性能评估缺失。此外，作者的其他先前工作[8]、[30]在涉及光学滤光片的被动冷却技术下数值评估了本文所述的CPVT集热器，主要重点是优化光学滤光片和热吸收器，通过评估其对光-热-电性能的影响。集热器还在不同作为光学滤光片的流体下进行了评估。先前工作中的集热器可视为不同的设计，因为与本文所述的集热器相比存在重大差异，如具有多个接收器或使用液体通道。本工作的重点是数值评估光、热和电能性能，从而确定集热器的最佳运行条件。因此，集热器可以经过实验性稳健测试，数值模型的结果也可以得到验证。在当前工作中，IEC 62670–3和ISO 9806被分别用于表征CPVT集热器的电能和热能性能。这种方法组合在CPVT文献中仅有零星报道[23]、[31]、[32]。在ISO 9806中，热能性能可通过稳态测试（SST）或动态测试（DT）进行评估。尽管两种方法都需要类似的测量，但DT允许在自然变化的室外条件下评估性能。它纳入了额外参数，如风速、长波辐照度交换和入射角修正因子，从而提供了集热器在真实运行条件下的更具代表性的表征。此外，DT能够确定有效热容，而仅凭SST无法获得。尽管具有这些优势，但在半干旱气候条件下应用DT于混合CPVT集热器的实验研究仍然有限。本工作中同时应用并比较了DT和SST方法，以提供更全面的CPVT集热器性能评估，并突出其评估中相关的方法学差异。此外，光伏电池的电压、电流、温度和功率等变量也进行了评估和详细呈现，以更深入地理解其性能。除了实验表征外，本研究还在单一软件平台中开发了耦合的3-D光学、电能和热能模型，从而改进了所获得的结果。先前的数值模型（表S2）通常依赖顺序建模，即首先使用SolTrace或ZEMAX等软件计算光通量[9]、[33]，然后将其导入COMSOL[28]或Fluent[9]、[33]等CFD平台以评估热行为。相比之下，所提出的模型同时考虑了光学、电能和热能领域，并与本研究中CPVT集热器获得的实验结果进行了验证。所开发的数值模型将有助于了解集热器运行的极限，这在动态条件下进行实验无法估算：集热器运行的临界流量以及在不同辐照度和环境温度下的热能和电能性能。因此，实验和数值相结合的方法使集热器的系统化表征及其运行条件的更广泛评估成为可能。

**集热器设计**

CPVT集热器的设计及其主要组件如图2a所示。类似集热器在先前文献中进行了数值研究[8]、[29]、[30]，因此这里仅作简要描述。PTC由墨西哥制造[34]，通过将现有的太阳能热接收器替换为PVT版本来转换为CPVT集热器，该版本具有三角形铝型材结构和安装在各面上的40个光伏电池，接收聚光照度。图2展示了……

**CPVT集热器的数值建模**

光学模型包括使用COMSOL中的非顺序光线追踪求解的几何模型。然后通过射线加热与COMSOL的传热和流体力学模块耦合，形成可同时预测集热器光、电和热性能的全面模型。完整模型已在先前工作中简要介绍[8]、[30]。图3展示了CPVT集热器数值建模的流程图。

**假设**

**光学建模**

集热器的光学模拟使用COMSOL射线光学模块完成。在模拟中，光线为单色光；至于光学特性，镜面反射率和玻璃封装透光率均设为90%。总共向镜面发射了10^5条光线，这些光线被反射至接收器。入射到集热器开口上的总功率为3300 W，而接收器吸收的总功率为2700 W。功率下降……

**局限性**

应注意，COMSOL Multiphysics采用有限元法（FEM），而专用CFD软件包（如ANSYS Fluent、CFX）通常使用有限体积法（FVM），后者通常被认为对对流主导流动更加稳健，因为其固有的局部守恒特性。为了解决这一问题，本模型通过与实验测试装置的测量值进行验证，实现了4%以内的一致性，为耦合模型的可靠性提供了信心。

**结论**

本研究评估了CPVT——特别是抛物面槽式集热器的热能和电能性能。开发了耦合的3-D光-电-热模型，以评估天气和运行条件变化对效率、出口温度和光伏电池温度的影响。主要结论如下：
• 热效率和电效率在流量函数下进行了优化。流量在数值上评估的范围……

**CRediT作者贡献声明**

Rafael A. Garcia-Ramos：写作–审阅与编辑，写作–原稿撰写，可视化，验证，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念构思。Chandan Pandey：写作–审阅与编辑，写作–原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据整理，概念构思。Christos N. Markides：写作–审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，方法论。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争财务利益或可能影响本文所述工作的个人关系。

**致谢**

本研究得到了英国工程与物理科学研究理事会（EPSRC）[资助编号EP/R045518/1]、英国皇家学会2020年国际合作奖[资助编号ICA\R1\201302]、英国Solar Flow Ltd.公司（www.solar-flow.co.uk）以及蒙特雷理工学院挑战驱动研究资助计划的支持。支持本文的数据可向[e-mail]索取。

Rafael A. Garcia-Ramos | Chandan Pandey | Christos N. Markides | Miguel Gijón-Rivera | Iván P. Acosta-Pazmi?o | Jorge A. Torres-Rodriguez | Konstantin S. Pervunin | Carlos I. Rivera-Solorio