非均匀温度-辐照复合场对光电转换影响的耦合机理研究及其在太阳能PV/T中的应用

This project experiments on and simulates the deterioration in the photovoltaic efficiency of the photovoltaic/thermal (PV/T) system to investigate the effect mechanism of the temperature-irradiance field on photovoltaic conversion. Under high irradiance distribution and heat flux, a single cell is analyzed. The overall performance of the PV/T system is then evaluated. On this basis, the project team aims to reduce the gradient of the temperature-irradiance field, improve the performance of the PV/T system, and provide a theoretical basis for the performance analysis and design optimization of this system.

本项目针对太阳能光电光热综合利用（PV/T）过程中光电效率下降问题，拟采用数值模拟、软件分析和实验验证相结合的方法，探索非均匀温度-辐照复合场对光电转换的耦合影响机理以及高辐照、高热流聚光条件下单块电池内部微结构的分布参数分析方法，并将上述影响机理和分析方法应用于聚光和非聚光PV/T系统的研究中，尝试在温度、辐照等宏观变量和电池的内部微观参数之间搭建桥梁，拟用降低复合场梯度分布和优化光电微结构及电路布置等途径来消除复合场非均匀性对光电光热过程的负面影响，为PV/T系统的综合性能分析和优化设计提供理论基础。

本项目对非均匀辐照-温度复合场对PV/T系统中的光电、光热转换过程中的关键性问题进行了研究和分析。按照研究计划，基于普通PV/T系统在工作过程中不可避免存在边框阴影遮挡而造成接收面上辐照不均匀分布的现象，建立了适用于非均匀辐照场条件下的分布式光伏光电转换模型，并搭建了户外PV/T实验平台，应用实验结果对数值模型进行了验证。采用验证后的PV/T系统光电转化模型，分别模拟分析了非均匀辐照分布和非均匀温度分布单独作用下对系统光电转化性能的影响。模拟研究中，首先计算相应的边框阴影分布规律，然后基于阴影分布规律进行相应的模拟计算。研究中发现，由边框阴影造成的非均匀辐照分布对平板PV/T系统的光电性能产生较大的影响。边框阴影的遮挡会改变系统的I-V特性曲线和P-V特性曲线的形状。系统的光电转换效率也会随着阴影面积的增大而呈减小趋势，在最坏的情况下（阴影面积达到电池总面积的20%）串联电路的光电转换效率会降低31.62%，并联电路的光电转换效率会降低39.30%。非均匀温度分布也会对PV/T系统的光电转换性能产生负面影响，随着局部温度的提高，会导致光电部分的效率、最大功率、填充因子、开路电压呈下降趋势，短路电流呈上升趋势，最终导致整个系统光电效率的下降。但是串联电路的效率要优于并联电路，其由温升带来的降幅也低于并联电路。此外，还探究了非均匀辐照-温度场耦合作用下，PV/T系统综合性能的变化规律：建立了非均匀辐照分布和非均匀温度分布耦合作用下的PV/T系统电性能模型以及数值传热模型，采用月典型日的气象数据，模拟研究了非均匀辐照分布和非均匀温度分布共同作用下对PV/T系统综合性能的影响。对比研究发现，边框阴影的存在对光热效率的影响很小，最大相对偏差仅为0.49%。而对光电转换效率影响较大，最大相对偏差约为18.84%（日均13.19%）。最后，优化设计了一款非对称性复合抛物面型聚光器，可以改善聚光条件下的辐照分布。模拟研究结果表明该种聚光器在光线入射角较小时，其产生的辐照分布接近均匀。