10001158_镜面积尘对菲涅尔聚光砷化镓发电系统性能的影响-solarbe文库

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镜面积尘对菲涅尔聚光砷化镓发电系统性能的影响马晓东 1，闫素英 1,2，赵晓燕 1，王峰 1，2 ，吴泽 1，田瑞 1，2 1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051；2. 风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室；呼和浩特市 010051；摘要针对积尘遮挡而导致的菲涅尔透镜透射率下降，造成聚光器能量损失、接收器表面能流分布不均等问题，本文探索性地利用三维软件建立不同积尘密度、不同积尘粒径的模型，利用蒙特卡洛光线追迹法进行光学模拟，得到积尘对电池表面能流分布及相对聚光效率的影响。结果表明，平均积尘密度增加1 g/m2，电池中心位置的能流值下降约0.93 ；积尘密度相同时，积尘粒径越小，其相对聚光效率下降的越快，粒径为7μm的相对聚光效率下降速度较粒径为50μm 的下降速度快约 87.78。关键词积尘模型；菲涅尔；能流密度；相对聚光效率 0 研究背景菲涅尔透镜表面的积尘具有反射、散射和吸收太阳辐射能量的作用，会降低太阳辐射的透射率，造成电池表面接收到的太阳辐射减少，使得接收器表面能流分布不均，输出功率随之减小。Hamdy K. Elminir等人 [1]通过近7个月的测试，发现正常情况下玻璃样品的透光率与其表面的灰尘密度密切相关，陈洁 [2]采用自热降尘的方式得到测试样板，发现积尘量越大，盖板的太阳透射比越低，透射比下降率越大，透射比下降率在 2.2216.30。2015年，侯祎等人 [3]为了确定灰尘自然积累的规律及其集热系统的影响，对倾斜安装的平板太阳能集热器玻璃盖板表面自然积尘进行了为期30天的测试，同时经过分析发现积尘时间为7天便可以使盖板透光率下降约10。在积尘密度相同时，相对较小的颗粒能够覆盖更大的面积 [4]，El-Shobokshy 等人 [5]在实验室研究石灰、水泥和碳颗粒等不同粒径颗粒对光伏组件输出功率的影响，结果表明粒径越小，对组件输出功率的影响越大；Tanesab等人 [6]也得出了类似的结论。尽管国内外众多学者从积尘密度以及积尘粒径等角度研究分析了积尘对组件透射率、输出功率的影响，但是实验过程中积尘受自然环境影响较大，具有很大的偶然性，实验不易控制，并且很少学者从仿真角度出发，研究分析积尘对聚光器能流分布的影响。本文探索性地在菲涅尔透镜表面建立均匀的积尘模型，利用蒙特卡洛追迹法进行仿真，分析积尘后菲涅尔透镜三级聚光系统的聚光集热性能。 1 菲涅尔透镜三级聚光系统菲涅尔透镜三级聚光系统主要由一级菲涅尔透镜、二级反射光漏斗和三级均光棱镜等三部分构成。图 1 为菲涅尔透镜三级聚光系统。菲涅尔透镜三级聚光系统主要由一级菲涅尔透镜、二级反射光漏斗和三级均光棱镜等三部分构成。太阳辐射经过菲涅尔透镜聚焦在光漏斗上表面，部分太阳辐射直接照射进光棱镜，未直接照射进光棱镜的太阳辐射则经光漏斗表面反射到光棱镜，所有照射进光棱镜的太阳辐射将会被较均匀地透射、分散到砷化镓电池表面。砷化镓电池将根据波长对照射到表面的太阳辐射能进行选择性吸收，一部分太阳辐射能转化成电能并通过外电路输出，一部分辐射转化为热能被系统中冷却工质吸收并回收利用，未被利用的能量以对外辐射和对流换热的方式散失在环境中。 2 透镜表面积尘的建立通常来说，积尘的粒径分布是不均匀的，积尘微粒的形状也不固定，为了更好地研究积尘微粒，引入等效粒径的概念 [7]，并利用积分思想将分散排布的积尘微粒等效会聚成圆柱，同时将表示积尘的圆柱进行网格状排列，使其均匀分布在透镜表面。等效后的圆柱直径表示积尘的粒径，圆柱的分布密度表示透镜表面积尘的分布密度。高德东等 [8]利用马尔文激光粒度仪 MS2000 测得积尘粒径主要分布在 100μm 以内，主要分布在 10μm 到 60μm 之间；另外本文收集 20 天的自然积尘，用 250 目的标准筛进行筛选，最终发现自然积尘几乎全部通过标准筛，则可以认定实验地点自然积尘的粒径几乎全部小于 61μm。以此为依据，并基于上述积分等效思想，在 Solidworks 中进行建模，圆柱的轴向长度与菲涅尔透镜边长一致，圆柱的直径分别设置为 50μm、 35μm、 20μm、15μ m、 7μm 等五种；同时根据积尘密度变化，设置不同圆柱间距，如圆柱间距为 2mm，数量为 165 个，记做 165165 积尘模型，如图 2 所示，建立积尘模型。微通道散热结构砷化镓电池芯片菲涅尔透镜光漏斗光棱镜图1 菲涅尔透镜三级聚光系统图2 积尘模型 3.结果与分析 3.1 积尘密度对能流分布的影响图 3 为利用 TracePro 光线模拟得到的电池表面能流密度分布图。图 3（a ）为积尘前电池表面的能流密度分布，可以看出其表面能流密度分布比较均匀。图 3（b）为粒径 35μm、13201320 积尘模型在聚光后得到的电池表面密度分布，其对应的积尘密度为 19.21g/m2，通过与图 3（a）对比可以看出，其整体亮度低于积尘前亮度，这说明此时积尘覆盖在菲涅尔透镜表面，对光线产生遮挡和衰减作用，使得其能流值低于积尘前的能流值。（a）积尘前（b）积尘后图3 电池表面能流密度分布图 4 是不同积尘模型的电池表面总能流沿 X 方向的分布，从图中可以看出，电池表面的列总能流值整体上以 X0 为中心左右对称，这是因为菲涅尔透镜为正方形，在 X0 两侧对称，聚光后其能流同样保持对称的趋势；此外沿着 X 方向出现多个波峰，菲涅尔透镜在无均光装置时聚光成一个圆面高能流区域，当加入均光装置后，将圆面高能流区进行分散，则会出现图中所示的若干个小波峰；同时，随着积尘密度增加，整体上总能流值逐渐下降。如图 5 所示，将电池表面无积尘的能流值减去该粒径下积尘量 15 的能流值，可以直观看𝜇𝑚 到减小区域主要集中在高能流区域，中心“X”型低能流区域降低幅度很小。 -5-4-3-2-1012345x10767x107879x107 81x0881x08 能流值/W X方向 /m 未积尘模型165165积尘模型3030积尘模型积尘模型1212积尘模型图 4 不同积尘模型 X方向能流图 5 能流值减小区域 3.2 积尘粒径对聚光效率的影响如图 6 所示，当灰尘密度每增加，归一化聚光效率下降幅度大约为 1.3。根据线性关系，𝜌𝑎𝑣𝑒 1𝑔/𝑚2 𝜂𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡 预测在积尘量达到时，归一化聚光效率约为 0.74。积尘密度加大，由于粒径变大，对于电𝜌𝑎𝑣𝑒20𝑔/𝑚 2 𝜂𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡 池板表面的能流密度削弱作用进一步增加强，但同样不影响能流分布的均匀性。电池表面能流分布在中心部位有一个呈“X”形的能流较低区域，除了中心低能流区，其余部位分布相对均匀。电池表面的能流密度最大值也从最初降到最终。1.4106W/m2 1.1106W/m2 3.3 积尘密度对系统集热性能影响如图 7 所示，电池表面平均温度降低的幅度大于出口温度的下降幅度，但是二者下降的趋势却近似相同，所以两条折线近似平行。图 6 归一化聚光效率随积尘密度变化图 7 出口和电池表面平均温度随积尘密度变化 4 结论本文针对由积尘遮挡导致的菲涅尔透镜透射率降低，造成聚光器能量损失、系统热电输出性能下降等问题，得到以下结论（1）随着积尘密度增加，整体上总能流值逐渐下降，但是在电池表面 X 方向的中心区域，未积尘时的能流值低于两端的值，积尘后中心区域的值逐渐高于两端的值；（2）相同积尘密度时，粒径越小，相对聚光效率下降越快，粒径为 7μm 的相对聚光效率下降速度较粒径为 50μm 的下降速度快约 87.78。（3）随着积尘密度的增加归一化聚光效率的减小是呈线性关系的。（4）电池表面平均温度降低的幅度大于工质出口温度的下降幅度。参考文献 [1] Elminir H K, Ghitas A E, Hamid R H, et al. Effect of dust on the transparent cover of solar collectors[J]. Energy Conversion 通讯作者闫素英（1972－），女，教授，博士，主要从事太阳能光热、光电利用技术的研究。yan_su_yingaliyun.com