張寶元　萬夢(mèng)鈺　鐘繼康

摘 要：針對(duì)現(xiàn)階段鈣鈦礦薄膜太陽(yáng)能電池工作譜段窄、太陽(yáng)能利用率低等問題，本文提出了一種基于光譜分頻技術(shù)的電熱多級(jí)利用裝置的設(shè)計(jì)，采用透明鈣鈦礦電池作為窗口材料，將200～800nm波段能量直接轉(zhuǎn)換為電能；其余太陽(yáng)能量透過鈣鈦礦層，經(jīng)復(fù)合曲面聚集后加熱集熱器，輸出熱能，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能全光譜綜合利用。該裝置不僅克服了鈣鈦礦薄膜電池工作譜段狹窄的問題，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、太陽(yáng)能綜合利用率高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦；太陽(yáng)能；光譜分頻；電熱利用

中圖分類號(hào)：TU722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）10-0051-02

近年來，鈣鈦礦電池研究受到了廣泛關(guān)注，具有極大的商業(yè)應(yīng)用前景。但是從其太陽(yáng)能量利用分析不難發(fā)現(xiàn)，該電池只能轉(zhuǎn)換200nm至800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)約占58%的太陽(yáng)能量，而其余42%的太陽(yáng)能量不能被有效利用，浪費(fèi)嚴(yán)重。基于以上問題，本文介紹了一種基于透明鈣鈦礦電池的太陽(yáng)能電熱分頻利用新技術(shù)：將200nm至800nm波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)能量直接轉(zhuǎn)換為電能，其余太陽(yáng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，從而實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電熱分頻全光譜綜合利用。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本作品從結(jié)構(gòu)上可分為光電模塊、光熱模塊與追蹤模塊。光電模塊主要工作部分為“印刷”鈣鈦礦薄膜電池。當(dāng)太陽(yáng)光入射時(shí)，電池吸收太陽(yáng)光線中波長(zhǎng)300nm至800nm部分的能量，進(jìn)行發(fā)電；波長(zhǎng)大于800nm的光線穿過電池，進(jìn)入下方光熱模塊。光熱模塊主要包括復(fù)合聚光曲面與集熱換熱系統(tǒng)，進(jìn)入本模塊的光譜能量被復(fù)合聚光曲面聚集后，加熱真空集熱管，再由緊貼真空集熱管腔內(nèi)的熱管將能量導(dǎo)出，加熱水箱循環(huán)系統(tǒng)。追蹤模塊分為俯仰追蹤與方位追蹤兩部分，分別由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與止推軸承變形機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。

1.2 光譜分頻與光電部分

本作品將鈣鈦礦薄膜電池印刷在透明導(dǎo)電基底上，當(dāng)作光學(xué)光譜分頻器使用。其中鈣鈦礦薄膜電池作為吸收層，將吸收、轉(zhuǎn)化入射光線中300nm至800nm波段的光譜能量，輸出電能；大于800nm的光譜能量穿過鈣鈦礦吸收層，進(jìn)入下方裝置。

1.3 聚熱與換熱部分

1.3.1 復(fù)合聚光曲面

為使聚光曲面獲得更大的光線接收角，本方案采用利用基圓漸開線代替原有拋物曲線尾部的設(shè)計(jì)。通過漸開線方程與拋物線方程計(jì)算后得知：保證聚光曲面的聚光效果，需要曲面對(duì)波長(zhǎng)在800nm以上的光線有較高的反射率。本作品在復(fù)合聚光曲面內(nèi)表層電鍍高反射材料，確保該曲面的反射率能達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

1.3.2 相變換熱系統(tǒng)

相變換熱系統(tǒng)由集熱管部分與水循環(huán)部分組成。真空集熱管由真空管、導(dǎo)熱翅片和熱管三部分構(gòu)成。復(fù)合聚光曲面將入射光線反射，均勻加熱真空集熱管，再通過導(dǎo)熱翅片將熱量傳至熱管的冷端，熱管內(nèi)導(dǎo)熱工質(zhì)完成“液—?dú)狻毕嘧冄h(huán)，將熱能從熱管的熱端導(dǎo)出，加熱循環(huán)水箱；循環(huán)水箱與儲(chǔ)水箱構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)，通過不定時(shí)的循環(huán)作用達(dá)到加熱儲(chǔ)水箱的目的。

2 光線追蹤與控制系統(tǒng)

2.1 俯仰追蹤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由于本作品采用地平式追蹤系統(tǒng)，因此需要控制俯仰與周向兩個(gè)方向的自由度。圖1為俯仰追蹤控制方案的曲柄滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖：步進(jìn)電機(jī)控制絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，促使連桿滑塊A端做變速度直線運(yùn)動(dòng)，從而保證連桿B（CPC支撐架）端對(duì)太陽(yáng)俯仰變化的精確擬合，使太陽(yáng)光線始終處于最佳入射角。改設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)方案的區(qū)別是：真空集熱管與CPC支撐架旋轉(zhuǎn)軸保持共線，且在支撐架做俯仰運(yùn)動(dòng)的過程中保持固定[1]。此方案可有效解決集熱水箱與熱管的連接問題，防止因疲勞使用而造成的連接不緊密、漏水失熱等現(xiàn)象。

2.2 控制原理

考慮到云霧遮擋、陰雨弱光環(huán)境造成的日照不連續(xù)現(xiàn)象，本作品的光線追蹤系統(tǒng)分為主動(dòng)追蹤與被動(dòng)跟蹤兩種控制方式。

被動(dòng)追蹤以矩形四象限硅光電池作為控制核心，在日照良好的條件下，根據(jù)四象限硅光電池受到的光照強(qiáng)度不同，產(chǎn)生不同電勢(shì)差以此確定算法，根據(jù)算法即可確定太陽(yáng)的準(zhǔn)確位置，從而操控追蹤器朝向太陽(yáng)。主動(dòng)追蹤以天文學(xué)算法為核心，初次使用時(shí)，設(shè)定地理位置信息之后，只需定期讀取時(shí)鐘芯片作為參考，經(jīng)算法計(jì)算后得出太陽(yáng)理論位置，將追蹤器轉(zhuǎn)向該理論位置。當(dāng)達(dá)到理論日落時(shí)間后，追蹤器自動(dòng)歸位，待次日理論日出時(shí)間達(dá)到時(shí)繼續(xù)工作。

3 性能測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 鈣鈦礦薄膜電池性能測(cè)試

3.1.1 鈣鈦礦薄膜電池的工作頻段

本作品利用鈣鈦礦薄膜電池的工作特性進(jìn)行太陽(yáng)能光譜分頻，因此需要精確測(cè)定鈣鈦礦薄膜電池的工作譜段與透光性能。在測(cè)試試驗(yàn)中，采用光譜法測(cè)量鈣鈦礦薄膜電池樣品在波長(zhǎng)300nm至3000nm波段內(nèi)的透射率。設(shè)置掃描間隔為2nm，光線垂直入射。試驗(yàn)結(jié)果表明：在800nm至1300nm波段，該樣品鈣鈦礦薄膜電池的平均透光率可達(dá)33.4%。

3.1.2 鈣鈦礦薄膜電池的光電與光熱性能

普通晶硅類光伏電池工作時(shí)，光譜中的熱輻射造成電池嚴(yán)重的熱負(fù)荷[2]；而本作品中，光譜中的熱輻射能將透過電池，向下傳遞，改善了電池板的發(fā)熱情況。

通過對(duì)比鈣鈦礦薄膜電池與單晶硅電池在相同輻照條件下的發(fā)電功率，可以得到這樣的結(jié)論：相同輻照條件下，鈣鈦礦薄膜電池的光電轉(zhuǎn)化效率略優(yōu)于普通民用單晶硅光電池板。

3.2 熱循環(huán)系統(tǒng)

在測(cè)試熱循環(huán)系統(tǒng)的過程中，首先測(cè)試了真空集熱管的效率。其能量吸收效率由國(guó)家太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試。之后，在保溫良好的情況下通過熱力學(xué)仿真分析，計(jì)算出作品總的熱效率為33.4%。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與理論計(jì)算符合。

3.3 光線追蹤

研究表明：同等光強(qiáng)下，當(dāng)光線垂直入射時(shí)，鈣鈦礦薄膜電池?fù)碛凶罡叩墓怆娹D(zhuǎn)化效率；因此設(shè)計(jì)光線追蹤系統(tǒng)，保持光線對(duì)電池板與聚光曲面的最佳入射角，可有效的提升太陽(yáng)能綜合利用效率[3]。設(shè)計(jì)交叉對(duì)比實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)變量分別為追蹤式與固定式、鈣鈦礦電池與單晶硅電池。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，追蹤式對(duì)光電池光電轉(zhuǎn)化率的提升可達(dá)31.6%。

4 裝置綜合性能計(jì)算

基于以上性能測(cè)試結(jié)果，可得出作品裝置總的效率理論計(jì)算公式。其中：全光譜能量中52%可被鈣鈦礦電池用來發(fā)電，其相對(duì)轉(zhuǎn)化率為32.27%，即光電效益為16.78%；剩下全光譜能量中48%用來制熱，系統(tǒng)相對(duì)轉(zhuǎn)化率為33.4%，即光熱效益為15.364%，得出裝置綜合利用率為32.14%。

參考文獻(xiàn)

[1]R. T. Dobson， D.G. Krger. Effect of evaporator surface on the maximum heat transfer rate of an inclined two-phase closed thermosyphon [C].Proceedings of 11th International heat pipe conference. Tokyo.1999：109-114.

[2]陳則韶，莫松平，胡芃，江守利，王剛.幾種太陽(yáng)能光伏發(fā)電方案的熱力分析與比較[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30（05）：725-728.

[3]趙利勇，胡明輔，楊貞妮.太陽(yáng)能利用技術(shù)與發(fā)展[J].能源與環(huán)境，2007（04）：55-57.