10001432_镜面积尘对菲涅尔聚光砷化镓发电系统性能的影响

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 基金项目国家自然科学基金项目（No51766012） ；内蒙古工业大学科学研究项目（No. X201606） 作者简介马晓东，男，在读研究生，硕士。E-mail1480711697qq.com; 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 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 Management, 2006, 4718–193192-3203. [2] 陈洁. 表面积尘对集热器盖板透射比影响的实验研究[J]. 中国农机化学报, 2015, 366267-270. [3] 侯祎. 积尘对平板型太阳能集热系统性能的影响[D]. 西安建筑科技大学 , 2015. [4] Beattie N S, Moir R S, Chacko C, et al. Understanding the effects of sand and dust accumulation on photovoltaic modules[J]. Renewable Energy, 2012, 486448-452. [5] 崔永琴,冯起,孙家欢,李芳,肖建华.积尘对光伏电站发电功率的影响研究综述[J].中国沙漠,2018,3802270-277. [6] Tanesab J, Parlevliet D, Whale J, et al. The contribution of dust to performance degradation of PV modules in a temperate climate zone[J]. Solar Energy, 2015, 1204147-157. [7] 闫素英, 常征, 王峰,等. 积尘对槽式太阳能聚光器焦面能流密度分布的影响及聚光优化[J]. 光学学报, 2017, 377231- 238. [8] 高德东, 孟广双, 王珊,等. 荒漠地区电池板表面灰尘特性分析[J]. 可再生能源, 2015, 33111597-1602.