一种基于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电技术，尤其是涉及一种光电/热太阳能系统计算方法技术领域。 技术背景
[0002] 在独立光伏发电系统中，太阳能量仅有5-15%被利用，入射光伏电池的太阳能大 部分转化为热能，并导致光伏电池温度升高，降低转换效率。为了提高太阳能量的利用效 率，光伏/热（PV/T)太阳能系统得到了较为广泛的研宄，例如，天津大学的赵军等人介绍了 空气加热型光电/热混合太阳能系统，并在天津地区太阳辐射条件下，对系统进行了测试。 东南大学的孙建等人对空气型聚光光电/光热系统的热、电效率进行了分析。结果表明，其 热效率可达65%。东南大学的徐亮亮等设计了一种板管-铝槽式结构的太阳能光热光电 一体化系统（PV/T)，并通过数值模拟的方法，分析了系统结构参数对特性的影响。北京理 工大学的彭祖林；张首誉等针对非跟踪内聚光光电一光热复合管的结构及接收器的设计需 求，得到了光热复合管能够得到最大入射光的聚光器的曲线方程、安装位置以及供数控机 床加工所需的参数。另外，何永泰等在专利"一种水加热型光电/热太阳能系统"，授发明专 利号：ZL 201110038851. 1中介绍了一种水加热型光电/热太阳能系统的结构。
[0003] 根据以上介绍，PV/T太阳能系统具有较高的理论效率。但是，目前，设计的PV/T热 水太阳能系统的实用性还较差，没有得到广泛的推广应用。就其原因，主要因素之一是由于 其优化设计涉及到使用地区的气候条件、光伏电池的特性参数、PV/T集热器的结构参数以 及用户对电能和热能的需求等，是一个复杂的过程。为此，需要根据PV/T热水太阳能系统 的结构和不同设计参数间的设计关系，建立低聚光PV/T热水太阳能系统的设计模型，并根 据设计模型，结合用户对电能、热能的需求，分析不同设计参数对聚光PV/T热水太阳能系 统输出电能、热能等参数的影响，简化PV/T热水太阳能系统的优化设计过程，缩短聚光PV/ T热水太阳能系统开发周期和提高设计系统的实用性。
[0004] 但是，到目前为止，关于通过建立聚光PV/T水加热型太阳能系统设计模型来进行 低聚光PV/T水加热型太阳能系统设计的方法，尚未见相关的文献、专利报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的正是为了克服上述现有技术存在的缺陷和不足之处而提供一种基 于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统计算方法
[0006] 本发明的目的是通过如下技术方案来实现的。
[0007] -种基于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统设计方法，本发明特征是，包 括有：
[0008] 第一步、确定低聚光PV/T热水太阳能系统的设计参数
[0009] 低聚光PV/T热水太阳能系统主要由聚光子系统、光（伏发）电转换子系统、（平 板）集热子系统和光电/热集成子系统四个部分组成；（聚光PV/T热水太阳能系统组成及 主要参数如图1所示。）
[0010] 1)聚光子系统及其主要参数
[0011] 聚光子系统用于增加 PV/T集热器的入射太阳能量；（在PV/T太阳能系统中，由于 受光伏电池工作特性的限制，一方面，要求聚光器光场均匀，保证光伏电池有效输出电能； 另一方面，要求聚光器聚光率较低，防止高聚光条件下，光伏电池过热降低转换效率和内部 结构损坏；）在利用硅光伏电池的PV/T热水太阳能系统中，将聚光器的聚光率λ设为小于 2. 5 ;增加聚光器后，PV/T集热器入射的总太阳辐照度示为⑴式所示：
[0012] Ea= Ε(1+λ) (1)
[0013] 上式中，匕为PV/T集热器入射的总辐照度，E为太阳辐照度，λ为聚光器的聚光 率；
[0014] 2)光电转换子系统及其主要参数
[0015] 在PV/T热水太阳能系统中，光伏电池集成在平板集热器的上表面；转换光电转换 子系统用于转换太阳能为电能；主要由光伏电池、转换控制器、蓄电池和直流-交流逆变器 等组成；影响聚光PV/T太阳能能系统光电转换特性的主要参数有光伏电池的光伏电池面 积、光电转换效率、光伏电池输出效率系数（反映光伏电池大功率点跟踪精度即光伏电池 实际工作点与最大功率点的吻合度）、光伏电池输出电压、输出电流、输出功率、蓄电池的能 量存储效率和直流-交流逆变器转换效率等；不同参数之间的关系设为：
【主权项】
1. 一种基于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统设计方法，其特征是，包括有： 第一步、确定低聚光PV/T热水太阳能系统的设计参数 低聚光PV/T热水太阳能系统由聚光子系统、光电转换子系统、集热子系统和光电/热 集成子系统四个部分组成； (1) 聚光子系统 聚光子系统用于增加PV/T集热器的入射太阳能量，提高系统的输出电能和热能；在利 用娃光伏电池的PV/T热水太阳能系统中，将聚光器的聚光率A设为小于2. 5;增加聚光器 后，PV/T集热器入射的总太阳福照度&表示为（1)式所示： E,= E(l+A) (1) 上式中，Eg为PV/T集热器入射的总福照度，E为太阳福照度，A为聚光器的聚光率； (2) 光电转换子系统 在PV/T热水太阳能系统中，光伏电池集成在平板集热器的上表面；光电转换子系统用 于转换太阳能为电能；由光伏电池、转换控制器、蓄电池和直流-交流逆变器等组成；影响 聚光PV/T太阳能能系统光电转换特性的参数有光伏电池的光伏电池面积、光电转换效率、 光伏电池输出效率系数、光伏电池输出电压、输出电流、输出功率、蓄电池的能量存储效率 和直流-交流逆变器转换效率等；不同参数之间的关系设为：
上式中，n为光伏电池的光电转换效率，npY为光伏电池的实际输出转换效率，Ap和Ei 分别为光伏电池面积和太阳福照度；Pm、Im和Vm分别为最大输出功率点对应的功率、电流和 电压；P。、I。和V。分别为光伏电池实际输出功率、电流和电压；k为光伏电池输出效率系数； V。。和I W分别为光伏电池的开路电压和短路电流，FF为填充因子，受温度影响变化较大，对 于娃光伏电池，温度每升高1度，其n转换效率大约减少0.45% ;转换效率的温度特性表 示为： n pv= n [1-0. 0045 (t ceii-298K) ] (6) 上式中，ttdi为光伏电池温度，单位为K ;其与太阳福照度有关，其表示为： fee" =f。+(:?'()(了 -20)'烏 (7) 上式中，tg为环境温度，单位为K，E i为太阳福照度单位为W/m2, N0CT为标称工作温度； 另外，光电转换子系统输出电能还受蓄电池和直流-交流逆变器转换效率的影响；通 常，蓄电池的存储效率约为60%，其与所用存储器的种类和存储时间有关；直流-交流逆变 器转换效率为90% ; (3) 集热器子系统 在PV/T热水太阳能系统中，平板集热器是基础，其结构材料直接影响PV/T热水太阳能
系统的集热效率；其结构参数包括：水管之间的中屯、距离，水管的外径，水管的内径，集热 管总热损失系数，传热工质与管壁的换热系数，水管与翅片之间的结合热阻，管片之间结合 处的导热系数，结合处的平均厚度m，结合处的宽度m，翅片的导热系数，翅片的厚度等；各 参数之间的关系用集热效率因子F'表示为：
上式中，W为水管的中屯、距离（单位m) ;D为水管管的外径（单位m)化为水管的内径 (单位m);化集热管总热损失系数（单位W/(m2.K)) 传热工质与管壁的