Numerical study on optical and electric-thermal performance for solar concentrating PV/T air system
SUN Jian，SHI Ming Heng
School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China;
Department of Thermal Energy Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001,China
Hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) system with solar concentrator is an effective way to improve solar energy conversion efficiency. In this work, a single-pass PV/T air system with a three-trough compound parabolic concentrator (CPC) of concentration ratio 2.0 is designed and the solar incident distributions at the solar cell surface are calculated by ray tracing method. Based on energy balance, the heat transfer models of all main components in this system are developed. The effects of some main designing and operational parameters on the electric-thermal performance of the system are analyzed. The results show that the solar radiation intensity can be higher than 1200 W/m at most area of the cell surface. The temperature of the air and cell surface increases along the length of the system. Thus the system efficiency of the CPC is higher than that of the system without the CPC. The thermal efficiency, exergy and electrical efficiency of this CPC system increase with increasing of the air mass flow rate and the length of the system. With increasing packing fraction the electrical efficiency increases, but the thermal efficiency decreases. The exergy efficiency increases slightly with the packing fraction rising. The data obtained in this work are valuable for the design and operation for this kind of solar concentrating PV/T systems.
Photo-voltaic/thermal system, CPC, exergy efficiency, thermal and electricity performance, optical
- Introduction
Recently the problems of energy shortage and environmental pollution in the world have become much emergent. Solar energy as a renewable and environment friendly energy would be a hopeful one to meet the energy demand in the future. Solar energy would meet an important proportion of the world needs in the future. Utilization of solar energy can be broadly classified into two categories: one is thermal application that converts solar energy into thermal energy, and the other is photo-voltaic system that converts solar energy directly into electrical energy. Usually, these two utilizations are separately used with a low energy efficiency. In order to solve this problem, a new combined system PV/T was developed which can generate both thermal and electrical energy simultaneously. In 1978, Kern et al. presented a prototype of PV/T system using air or water as a cooling fluid to decrease the temperature of solar cell. After that, a number of theoretical and experimental works reported to evaluate the performance of the solar energy PV/T system. Florschuetz extended Hottel-Whillier model to analyze the performance of solar energy hybrid PV/T system which could also provide domestic hot water. TRNSYS analysis program was developed at the University of Wisconsin by Klein et al. Garg et al.developed a steady-state model to simulate the performance of conventional hybrid photo-voltaic/ thermal air heating collectors. Hegazy et al. carried out an investigation of the single and double pass PV/T air flat-plate collectors. However, the wide application of solar energy hybrid PV/T system is still limited because of its expensive investment. In recent years, in order to reduce the cost of combined PV/T system, considerable research were reported in the literature on new solar concentrating photo-voltaic/thermal systems (Garg et al., Orsquo;Leary et al. , Whitfield et al., Othman et al., Chen et al.). The concentrating photo-voltaic/ thermal system with cheap concentrator and higher efficiency solar cell are used to lower the cost of solar electricity. Because only a fraction of the incoming optical energy is converted into electrical energy when concentrating sunlight onto solar cell, the most of the absorbed energy by the solar cell will be converted into thermal energy, which increases the temperature of solar cell and decreases its electrical efficiency. Therefore, it is necessary to remove the heat from the solar cell by air or water. Solar concentrating hybrid photo-voltaic/thermal system would be a hopeful way to solve this problem.
This work presents a numerical simulation of the optical, thermal and electrical performance of a solar photo-voltaic/thermal air system with the compound parabolic concentrator (CPC) and fins. The optical performance of a single-trough CPC is analyzed by use of a ray tracing technique. The effects of various design and operating parameters on the electric-thermal performance of the hybrid PV/T system with three troughs CPC and fins are also examined.
2 System descriptions
2.1 Compound parabolic concentrator
A compound parabolic concentrator (CPC) is designed based on the edge-ray principle. It is a non-imaging line-axis concentrator, which consists of two reflectors concentrating the radiation from aperture to absorber. All rays incident on the aperture inside the acceptance angle theta; as shown in Figure1. Because the mirror area of high concentrating ratio CPC is too large, it is necessary to
cut off the top portion of reflectors, and this does not loss much radiation in concentrator. The detail optical and thermal properties of CPC are adopted from ref. In this work, the concentrating ratio is selected as 2.0, the reflectors is truncated by third height.
2.2 System model
The system schematic model and heat transfer process are shown in Figure 2. The system consists of a low-iron glass cover, reflectors, solar cells, absorber panel, back panel, fins and insulating material. Passing through the glass c
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太阳能聚光PV/T空气系统的光学和电热性能数值研究
孙健施明恒
东南大学能源与环境学院，南京210096;
景德镇陶瓷学院热能工程系，景德镇333001
具有太阳能聚光器的混合光伏/热(PV/T)系统是提高太阳能转换效率的有效方式。在这项工作中，设计了一个集中度为2.0的三槽复合抛物面聚光器（CPC）的单程PV/T空气系统，并通过射线追踪法计算太阳能电池表面的太阳入射分布。基于能量平衡，开发了该系统中所有主要部件的传热模型。分析了一些主要设计和运行参数对系统电热性能的影响。结果表明，在电池表面的大部分区域，太阳辐射强度可以高于1200W/m。空气和电池表面的温度沿着系统的长度增加。因此，有CPC的系统效率要高于没有CPC的系统。该系统的热效率，火用和电效率随着空气质量流量和系统长度的增加而增加。随着填充率的增加，电效率增加，但热效率降低。随着装箱率上升，火用效率略有增加。在这项工作中获得的数据对于这种太阳能聚光PV/T系统的设计和操作是有价值的。
光伏/热力系统，CPC，火用效率，热电性能，光学
1介绍
最近，世界能源短缺和环境污染问题日益突出。太阳能作为可再生能源和环境友好型能源将是未来满足能源需求的有希望的能源。太阳能将在未来满足世界需求的重要比例。太阳能的利用可大致分为两类：一类是将太阳能转换为热能的热应用，另一类是将太阳能直接转换为电能的光伏系统。通常，这两种利用分别以低能量效率使用。为了解决这个问题，一种新的组合系统PV/T被开发出来，它可以同时产生热能和电能。1978年，克恩等人。提出了一个使用空气或水作为冷却液的PV/T系统原型，以降低太阳能电池的温度。之后，报告了许多理论和实验工作来评估太阳能PV/T系统的性能。Florschuetz扩展了Hottel-Whillier模型，以分析也可提供家用热水的太阳能混合PV/T系统的性能。TRNSYS分析程序由Klein等人在威斯康星大学开发。Garg等人开发了一种稳态模型来模拟常规混合光伏/热空气加热收集器的性能。Hegazy等人对单，双程PV/T空气平板集热器进行了调查。然而，太阳能混合动力PV/T系统的广泛应用由于投资昂贵而仍然受到限制。近年来，为了降低组合PV/T系统的成本，在关于新的太阳能集中光伏/热系统的文献中报道了大量研究（Garg，OLeary，Whitfield，Othman，Chen）。采用廉价集中器和高效太阳能电池的集中光伏/热系统可降低太阳能发电成本。由于将太阳光聚集到太阳能电池上时，只有一小部分入射光能转化为电能，因此太阳能电池吸收的大部分能量将转化为热能，从而增加太阳能电池的温度并降低其电效率。因此，有必要通过空气或水从太阳能电池中去除热量。太阳能集中混合光伏/热系统将是解决这个问题的一个有希望的方法。
这项工作提出了复合抛物面聚光器（CPC）和散热片的太阳光电/热空气系统的光学，热学和电学性能的数值模拟。通过使用射线追踪技术来分析单槽CPC的光学性能。还研究了各种设计和操作参数对具有三槽CPC和鳍的混合PV/T系统的电热性能的影响。
- 系统描述
2.1复合抛物面聚光器
复合抛物面聚光器（CPC）是基于边缘射线原理设计的。它是一个非成像线轴聚光器，它由两个反射器组成，将光束从光圈集中到吸收器。如图1所示，所有光线入射到接收角theta;内的光圈上。由于高聚光比CPC的镜面面积太大，所以有必要切断反射器的顶部，这不会在聚光器中损失太多的辐射。CPC的详细光学和热性能参考文献。在这项工作中，选择聚光比为2.0，反射镜被截断第三高度。
2.2系统模型
系统原理图模型和传热过程如图2所示。该系统由低铁玻璃罩，反射器，太阳能电池，吸收板，背板，翅片和绝缘材料组成。CPC穿过玻璃盖，阳光聚集在太阳能电池上。太阳能电池沿着系统的长度方向串联连接。由玻璃盖和太阳能电池粘贴在其上的吸收器面板形成的上通道被封闭以保持电池表面清洁。冷却空气在由背板和连接到吸收器板后部的翅片形成的下通道中流动。复合抛物面聚光器将太阳辐射集中到高空电池上。吸热板背面的翅片增强了向空气的传热并提高了系统的效率。
3传热模型
3.1能量方程
为了简单起见，一些假设如下进行。
- 传热过程是一维和稳态的。
- 玻璃盖，CPC，太阳能电池，散热片，吸收体和背板的热容量可以忽略不计。
- CPC理想，接收角内的所有辐射都能到达太阳能电池。
- 在接收角内通过CPC的辐射是恒定的。
- 转换成热能的太阳辐射完全被太阳能电池和吸收板吸收。
- 太阳能电池和吸收体的温度是均匀的。
基于这些假设，能量方程可以写成
玻璃罩：
为接受角内辐射的平均反射次数，和为反射器和太阳能电池。为截断的CPC发出的辐射比例达到太阳能电池。
光伏/热敏板：
d为间隙损失的修正，为吸收板的总效率。
为翅片效率
，
太阳能电池的效率取决于电池温度。
为是太阳能电池在太阳辐射为以及温度=25℃下的参考效率，一般取值10%。
冷却空气：
背板：
3.2辐射和对流传热系数
在上面的等式中，辐射和对流传热系数使用文献报道的关系计算。
从玻璃罩到天空和吸收板的辐射传热系数取为：
等效的天气温度约为：
风的对流传热系数由下式计算：
计算太阳能电池和玻璃盖之间的自然对流传热系数为：
通过计算冷却空气的强制对流换热系数：
其中D是通道的水力直径;Re是雷诺数;x是距离入口的距离。
- 计算方式
代入方程（1），（2）和（4）代入式（3）可以从等式中消除变量Tg，Tp和Tb。（3），并给出以下一阶线性微分方程。
其中p和q是通过代数运算获得的常数。
边界条件是：
,atx=0,
,atx=L.
解决（11）产生x方向的空气温度
出口空气温度
在等式（11）中，p和q都是各种部件温度的函数，但这些温度都是未知的。为了确定这些温度，应用迭代算法。聚光PV/T系统的区域被分成50个单位（n=50），每个长度为0.22m（dx=0.22）。
为了开始计算，分别针对所有单位猜测Tg，Tp（Tp=Tpv）和Tb。x=0处气流的入口温度等于环境温度（Ti，1=Ta）。在这些温度下，评估第一台机组的传热系数和电效率，然后通过求解能量方程得到新的温度。迭代过程继续使用最新的更新变量，直到所有温度值收敛。因此可以确定第一单元的气流的出口温度。将它作为下一个单元的入口温度，可以类似地计算出第二个单元的出口温度。重复此步骤，可以确定不同组件的所有温度。
用蒙特卡罗方法用射线追踪技术模拟太阳能电池的照度。
5性能参数
混合PV/T的一些主要性能参数的定义和计算如下。
通过PV/T系统的气流获得的有用热能为：
聚光PV/T系统的热效率为：
聚光PV/T系统产生的电能是：
该系统的光伏热效率总和是系统的光伏效率和热效率的总和[17]：
- 结果和讨论
计算中使用的一些主要热-物理参数列于表1中。系统尺寸为0.636mtimes;11m（Wtimes;L）。翅片尺寸为0.0015mtimes;0.025mtimes;11m（delta;times;Htimes;L）。
表格1PV/T系统的热物理参数
|
参数 |
值 |
参数 |
值 |
参数 |
值 |
|
|
0.95 |
d |
0.95 |
|
0.04 |
|
|
0.90 |
|
0.191 |
|
0.95 |
|
|
0.05 |
|
0.61 |
|
0.94 |
|
|
0.06 |
P |
0.52 |
|
0.86 |
|
|
0.90 |
C |
2.00 |
|
0.95 |
|
|
1008 |
|
298 |
|
203.6 |
计算出的PV/T系统的运行条件为：风速为3m/s，太阳辐射强度范围为200-800W/㎡。
利用射线追踪技术分别预测光伏系统太阳能电池表面的太阳辐照强度，分别采用全单槽CPC和截断CPC。结果如图3和图4所示。图3显示了光伏系统在太阳能电池表面入射太阳能的情况下，在G=800W/m2时全CPC的分布情况。可以看出，在电池表面的大部分区域，太阳辐射强度高于1200W/m2。图4表示具有截断的第三CPC的光伏系统的太阳能电池表面上的太阳辐射分布。它表明，电池表面的太阳辐射强度略低于图3中的。因此，截断的第三反射器对CPC的集中性能的影响可以忽略不计。因此，适当的截断可以降低PV/T系统的成本和重量。
图3为太阳能电池表面的太阳辐射，用于在G=800W/m2时具有完全CPC的单槽PV/T系统。
图4为在G=800W/m2时，单槽PV/T截断1/3CPC的太阳能电池表面的太阳辐射。
图5显示了在G=600W/m2，m=0.01kg/s·m2的情况下，沿着系统长度的主要组件的温度变化情况。显然，温度沿系统长度增加，太阳能电池温度高于其他温度。与没有CPC的系统相比，CPC系统的温度更高。入口区域气流温度迅速上升，但出口区域温度缓慢上升，吸收板和气流之间的温差随着系统长度的增加而减小。预测的太阳能电池表面温度为344K（当浓度比为1.0时）与Garg等[4]报道的相当。在相同的工作条件下，图6显示了在长度方向上具有和不具有截断CPC的系统的电，热，火用和系统效率的变化。可以看出，热量，火用和系统效率沿长度方向增加，但电效率降低。系统与CPC的联合效率几乎达到75％，这接近Othman等[9]获得的价值。由于温度的升高，CPC系统17.6％的火用效率高于非浓缩系统。非浓缩系统获得的16％的火用效率接近Anand等[18]报道的值。保持气流速度和太阳入射强度不变，图7显示了太阳能电池封装因子对截断CPC的PV/T系统性能的影响。结果表明，系统电效率随着系统填充率的增加而增加，但热效率和系统效率降低。随着包装分数的增加，火用效率略有增加。图8显示了空气流量对浓缩PV/T系统性能的影响。可以观察到，电气，火用，热和系统效率随着空气质量流量的增加而增加。空气质量流量的增加将降低系统的温度，从而减少系统到环境的热量损失。这将提高系统的效率，但风扇功率要求也提高。
图5带有和不带CPC的太阳能pV/T系统的温度变化
图6具有和不具有CPC的太阳能PV/T系统的效率变化
图7不同太阳能电池填充率下太阳能光伏/T系统效率的变化
图8太阳能PV/T系统对不同空气质量流量的效率变化
- 结论
模拟了截断复合抛物面聚光器PV/T系统的光学和电热性能。主要结论如下。
1）单槽太阳能电池表面的太阳辐射强度接近1200W/m2。与全反射器相比，截断1/3反射器对光学性能的影响不大。因此可以开发一种降低材料成本和PV/T浓度系统重量的有效方法。
2）太阳能聚光PV/T系统的玻璃罩，太阳能电池，吸收板和背板的温度随着系统长度的增加而增加，太阳能电池和吸收板的温度较高，温度的玻璃盖是最低的。具有CPC的系统组件的温度高于没有CPC的温度。
3）PV/T系统的热，火用和系统效率随着系统长度的增加而增加，但电效率降低。该系统与CPC的组合效率几乎达到75％，并且在G=600W/m2时，火用效率为17.6％。混合光伏和热力系统的所有效率都随着空气质量流量的增加而增加。具有CPC的系统的热，火用和电效率高于没有CPC的系统。
lt;
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