【摘 要】
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为尽可能利用太阳能资源,聚光光伏光热技术（CPV/T）受到了广泛的关注。然而市面多数聚光器成本投入高,难以实现大范围的推广应用。标准的复合拋物面聚光器（S-CPC）由于非成像聚光的特性造成了吸收体上非常不均匀的能量流密度分布,严重影响了太阳电池的能量转换效率,较高的反射镜镜面成本也是制约其发展的一大要素。本文基于S-CPC的结构特性,利用高效率的粒子群优化（PSO）算法,提出了一种以平面代替曲面的
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为尽可能利用太阳能资源,聚光光伏光热技术（CPV/T）受到了广泛的关注。然而市面多数聚光器成本投入高,难以实现大范围的推广应用。标准的复合拋物面聚光器（S-CPC）由于非成像聚光的特性造成了吸收体上非常不均匀的能量流密度分布,严重影响了太阳电池的能量转换效率,较高的反射镜镜面成本也是制约其发展的一大要素。本文基于S-CPC的结构特性,利用高效率的粒子群优化（PSO）算法,提出了一种以平面代替曲面的设计优化方法,通过相应的采光模型构建一种可嵌入建筑倾斜面的复合平面聚光器（M-CPC）,并建立整个M-CPV/T的太阳能能量转换模型,搭建相关实验平台,以此探究M-CPC耦合于PV/T系统上的相关能量转换性能。具体的研究内容及结论如下:（1）通过解析几何法推导了平板式吸收体S-CPC的参数方程,然后阐述平板式吸收体M-CPC的构建逻辑。借助高效的PSO,设计出了水平放置的具有多段平板结构的M-CPC,之后通过基于蒙特卡罗光线追迹（MCRT）的实验,验证该设计方法所优化模型的准确性。之后通过光学性能分析验证该模型的可行性。（2）光学性能探究表明,单边具有三块平板反射镜的M-CPC3在昆明月平均日的半天内采集直射辐射量为3.1681MJ/m~2,超过了S-CPC的3.1631MJ/m~2。特别是结合数值和空间位置分布情况评估吸收体上的能量通量密度分布的均匀性U表明,只要M-CPC可采集直射辐射,其能量流密度分布比S-CPC更均匀。此外,在成本消耗方面,据估计由三块平面反射镜组成,整体长为1.56m的M-CPC3比同尺寸的S-CPC低63.59美元。因此基于平面代曲面设计出的M-CPC,不论是光学性能,还是生产成本都比S-CPC更具可行性。最终,从节省建筑能耗出发,为适用于昆明当地太阳辐射环境,基于气象年数据构建采光模型,设计出了嵌入建筑倾面的M-CPC。（3）根据能量守恒定律,通过分析整个M-CPV/T系统的热能及电能输出情况,分别构建了系统的光热转换模型以及光伏转换模型。并通过基于能量守恒定律设计的C语言程序,进行迭代计算理论模型数值解。同时,搭建了一个M-CPV/T系统实验平台获取实验数据,结果显示实验与理论的换热通道出口温度相对误差为3.0%,证明在较为稳定的气象条件下所构建理论模型与实际情况较为符合。（4）通过对M-CPV/T系统性能分析表明,进一步优化后的M-CPC3在倾斜放置的情况下对于直射辐射的收集在太阳时12点后可以达到6.61MJ/m~2。经过探究,太阳辐照强度的变化对太阳电池的输出性能有较大影响,随着辐照强度增加,电池输出功率增加,内部的温度也在上升,这将降低光伏转换效率。此外,该系统理论模型与实验的平均光伏转换效率分别为5.58%和4.93%,平均光热转换效率分别为34.8%和33.21%。
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