劉歡，楊謀存，朱躍釗，高睿哲，劉奇龍，冉茂菁

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引言

太陽能是重要的可再生能源，具有儲(chǔ)量豐富、潔凈安全等優(yōu)勢，對(duì)其高效利用已成為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的化石能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的有效途徑之一[1]。為提高太陽能綜合利用率，Kern提出了太陽能光伏光熱一體化（Photovoltaic/thermal，PV/T）概念，即將光伏發(fā)電技術(shù)與光熱技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以同時(shí)獲得電能和熱能[2]。

傳統(tǒng)的太陽能PV/T系統(tǒng)多在光伏組件的背面鋪設(shè)冷卻流道，通過冷卻工質(zhì)（如水、空氣等）將光伏組件耗散熱能帶走，并對(duì)其加以收集利用[2]。典型的如平板熱管式PV/T系統(tǒng)[3]、蛇型環(huán)道式PV/T系統(tǒng)[4]等。但該類系統(tǒng)光伏組件與冷卻工質(zhì)相互熱耦合，其工作效率受工質(zhì)溫度的影響顯著，相關(guān)研究表明，光伏組件每升高1℃，其光電轉(zhuǎn)換效率將下降約0.5%[3]。因此，傳統(tǒng)的聚光型光伏組件的有效能效率仍不高[2]。

另一方面，近年來太陽光譜分頻利用技術(shù)亦獲得了快速發(fā)展，其可將高效光電轉(zhuǎn)換譜段的太陽輻射能分配給光伏模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光電轉(zhuǎn)換效率較低譜段的太陽輻射能分配給光熱模塊獨(dú)立進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換[5]，從而避免了光伏/光熱模塊的熱耦合，可獲得更高的有效能效率。如羅朋[6]、Wang[7]基于太陽能直接吸收（DAC）技術(shù)構(gòu)建的太陽光譜分頻利用型聚光式光伏光熱一體化（CPV/T）系統(tǒng)，對(duì)光伏組件的冷卻效果及光熱部分的利用能級(jí)均有較大提升。然而，現(xiàn)階段對(duì)可與普通建筑有效結(jié)合的相關(guān)研究較少，若利用太陽能設(shè)備替代普通建筑覆蓋層或屋頂保溫層，既可同時(shí)提供電能和熱能，又可避免重復(fù)投資、降低成本[8]。

本文采用納米流體集熱工質(zhì)實(shí)現(xiàn)太陽光譜分頻利用，以解決CPV/T系統(tǒng)光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的高溫減益等問題，進(jìn)而構(gòu)建了一種光伏/光熱模塊分離式的小型菲涅爾式CPV/T集熱器（以下簡稱為MFCPV/T集熱器），通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法綜合分析其光/電/熱性能，為小型太陽能集熱器的性能分析及實(shí)現(xiàn)與普通建筑的有效結(jié)合提供參考。

1 MFCPV/T集熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MFCPV/T集熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MFCPV/T集熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the MFCPV/T collector

MFCPV/T集熱器由若干個(gè)聚光集熱單元體組成，其中，集熱管位于線性菲涅爾透鏡的焦線上，由硅太陽能電池（Si-PV）板、厚度為3 mm的高透玻璃及鋁質(zhì)邊框組成的光伏模塊（高透玻璃置于Si-PV板上方，主要用于保護(hù)光伏硅片）置于集熱管正下方，聚光集熱單元體之間可通過梯形端部與傳動(dòng)連桿相連，以同步外部跟蹤裝置輸入的扭矩與運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光線的跟蹤式聚光，且僅線性菲涅爾透鏡與光伏模塊繞集熱管軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而集熱管固定不動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)較為簡單，高度較低，易實(shí)現(xiàn)與普通建筑的有效結(jié)合。其具體參數(shù)如表1所示。

表1 MFCPV/T集熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of the MFCPV/T collector

集熱器采用體積分?jǐn)?shù)為0.1%的15 nm水基SiO2納米流體作為集熱分頻工質(zhì)，其對(duì)太陽光譜具有分頻吸收及高效傳熱特性。圖2為SiO2納米流體在各波長下的透射率[9]。

圖2 SiO2納米流體光譜透射率Fig.2 Spectral transmissivity of the SiO2 nanofluid

由圖2可知，SiO2納米流體在300～1 000 nm譜段保持較高透射率（根據(jù)圖2經(jīng)積分計(jì)算得知，該值約為78%），而在其他譜段的透射率則較低，即可吸收絕大部分的紅外光及部分可見光產(chǎn)生光熱效應(yīng)，透過的大部分可見光及部分近紅外光可到達(dá)Si-PV板上產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

2 MFCPV/T集熱器光學(xué)性能分析

對(duì)于聚光型太陽能集熱器，光學(xué)效率是一個(gè)尤為重要的參數(shù)[8]。圖3為聚光集熱單元體及其光路示意圖。綜合考慮系統(tǒng)的光傳播效率、遮擋損失及余弦效率3個(gè)主要影響因素對(duì)集熱器的光學(xué)性能進(jìn)行分析[8]。

圖3 聚光集熱單元體及其光路示意圖Fig.3 Optical path diagram of the MFCPV/T element

假定系統(tǒng)各組件的光學(xué)特性恒定，并忽略其制造、安裝及光學(xué)交互作用等引起的誤差，該集熱器的瞬時(shí)光學(xué)效率ηop為

式中：ηt為光傳播效率；κb為遮擋損失；θ為太陽光線入射角。

太陽光線透過玻璃蓋板、線性菲涅爾透鏡及集熱管均會(huì)產(chǎn)生少量損失[10]，因此，ηt的計(jì)算式為

式中：αf，αpv分別為工質(zhì)及Si-PV板的太陽輻射吸收率，根據(jù)圖2經(jīng)積分計(jì)算得知，該值分別約為50%，96%；γ，ρ，ε分別為玻璃蓋板、線性菲涅爾透鏡及光熱模塊的透射率，當(dāng)前已有較多針對(duì)提高玻璃透射率的相關(guān)研究[11]，因此，該值分別設(shè)為95%，92%，48%。

圖4為集熱單元體的太陽光線跟蹤示意圖。

圖4 聚光集熱單元體太陽光線跟蹤示意圖Fig.4 Solar ray tracking diagram of the MFCPV/T element

基于所設(shè)計(jì)的集熱器結(jié)構(gòu)及參數(shù)（表1），遮擋損失相關(guān)影響參數(shù)的計(jì)算式為

式中：b1為外部框架對(duì)聚光集熱單元體的遮擋寬度，mm；b2為聚光集熱單元體互相之間的遮擋寬度，mm；h0為集熱管軸心高度，mm；R為聚光集熱單元體旋轉(zhuǎn)軌跡圓半徑，mm；w3為外部框架與聚光集熱單元體旋轉(zhuǎn)軌跡圓的最近距離，mm；β為單元體實(shí)時(shí)跟蹤角度，計(jì)算式為式中：φ，α分別為太陽方位角、高度角。

尤須注意的是，由于太陽高度角的變化，被遮擋部分的長度并不總是等于線性菲涅爾透鏡的長度，如圖5所示。

圖5 聚光集熱單元體實(shí)際遮擋長度示意圖Fig.5 Actual shading length diagram of the MFCPV/T element

聚光集熱單元體之間產(chǎn)生遮擋的實(shí)際長度s為

式中：s1為線性菲涅爾透鏡未被遮擋的長度，mm。

由式（3），（4）可知，當(dāng)β大于某值時(shí)，b1與b2必定大于0，即總是存在遮擋的情況。但若β較小時(shí)，b1與b2將為0，即外部框架或相鄰的聚光集熱單元體之間均不存在遮擋。因此，該集熱器的遮擋損失κb須根據(jù)聚光集熱單元體實(shí)時(shí)跟蹤角度β進(jìn)行分段計(jì)算，表2為各臨界時(shí)刻及角度。

表2 4種典型日產(chǎn)生遮擋的臨界時(shí)刻及角度Table 2 Critical shading moments and angles of four typical days

余弦效率可表示為太陽光線入射方向與線性菲涅爾透鏡主法線方向夾角θ的余弦值，并可根據(jù)文獻(xiàn)[10]所提供的方法進(jìn)行計(jì)算。

基于上述分析，本文亦采用TracePro光學(xué)分析軟件，基于Monte-Carlo算法嚴(yán)格按照真實(shí)的物理過程，對(duì)所設(shè)計(jì)的集熱器南北軸向無傾角地安裝于南京地區(qū)（32?N）時(shí)，4個(gè)典型日內(nèi)各時(shí)刻的光學(xué)效率進(jìn)行模擬。按4.65 mrad的太陽半張角將格點(diǎn)光源光線設(shè)置為非平行光以近似地模擬太陽光源，光照強(qiáng)度設(shè)為平均輻射強(qiáng)度1 000 W/m2，其他相關(guān)物性參數(shù)的設(shè)定與前述理論模型一致，理論分析與模擬仿真結(jié)果對(duì)比如圖6所示。該集熱器的瞬時(shí)光學(xué)效率在8時(shí)-16時(shí)大致以正午為中心呈對(duì)稱分布規(guī)律，8時(shí)光學(xué)效率最低，這是由于太陽初升，其高度較低，集熱器跟蹤角度較大，造成相鄰單元體之間的遮擋現(xiàn)象較為嚴(yán)重，而后隨著太陽不斷升高，遮擋損失逐漸減小，光學(xué)效率不斷升高，11時(shí)左右達(dá)到峰值，但之后由于單元體間隙逐漸增大導(dǎo)致光學(xué)效率再次緩慢降低，于12時(shí)左右達(dá)到極值，理論分析與模擬仿真結(jié)果的趨勢基本一致。此種工況下集熱器的年均光學(xué)效率約為55.91%，但通過理論分析得知當(dāng)集熱器以32?傾角南北軸向安裝于南京地區(qū)時(shí)可獲得約為64.97%的年均光學(xué)效率，明顯優(yōu)于無傾角安裝時(shí)的工況。

圖6 4種典型日各時(shí)刻瞬時(shí)光學(xué)效率對(duì)比Fig.6 Comparison of the instantaneous optical efficiencies at every moment of four typical days

因此，本文除了分析光傳播效率、遮擋損失及余弦效率對(duì)集熱器光學(xué)性能的影響，亦分析了所設(shè)計(jì)的集熱器以不同傾角南北軸向安裝于北半球不同緯度地區(qū)時(shí)的年均光學(xué)效率，如圖7所示。

圖7 不同緯度地區(qū)不同安裝傾角下集熱器的年均光學(xué)效率Fig.7 Annual average optical efficiencies of the collector under different installation tilt angles in different latitudes

由圖7可知，該集熱器以與安裝地緯度大致等值的傾角南北軸向安裝時(shí)，可獲得最佳年均光學(xué)效率，這與文獻(xiàn)[8]，[10]的結(jié)論基本一致。此外，通過理論分析發(fā)現(xiàn)，若該集熱器以60?傾角南北軸向安裝于南京地區(qū)時(shí)，其年均光學(xué)效率亦可達(dá)45.99%，即其可與普通建筑南立面進(jìn)行有效結(jié)合。

3 MFCPV/T集熱器電/熱性能分析

3.1 Fluent熱力學(xué)模型建立

集熱性能對(duì)太陽能集熱器整體性能的評(píng)價(jià)起著重要的作用。圖8為本文所設(shè)計(jì)的MFCPV/T集熱器物理換熱示意圖。

圖8 MFCPV/T集熱器物理換熱示意圖Fig.8 Physical heat exchange diagram of the MFCPV/T collector

由圖8可知，太陽輻射透過玻璃蓋板經(jīng)線性菲涅爾透鏡的聚焦作用，到達(dá)集熱管中心加熱工質(zhì)，集熱管采用雙層真空玻璃管，隔熱效果較好，分析時(shí)視其為理想化的真空狀態(tài)，故可忽略其自然對(duì)流換熱。太陽光線入射過程中會(huì)有少量輻射被玻璃蓋板、集熱器內(nèi)部空氣、線性菲涅爾透鏡及集熱管所吸收，而大部分輻射則會(huì)被工質(zhì)及集熱管正下方的Si-PV板吸收。當(dāng)這些組件的溫度逐漸高于環(huán)境溫度，便開始通過輻射或?qū)α鞯男问较颦h(huán)境消散熱量，從而造成集熱器的熱損失。

假定工質(zhì)為不可壓縮流體，其最大流速設(shè)計(jì)為0.02 m/s，根據(jù)計(jì)算分析，集熱管道內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)雷諾數(shù)Re＜2 300，即屬于層流狀態(tài)，并可忽略耗散項(xiàng)。因此，CFD模型的基礎(chǔ)求解控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程。

連續(xù)性方程的表達(dá)式為

式中：x為坐標(biāo)；i，j為方向（i，j=1，2，3）；ρ為工質(zhì)密度，kg/m3；u為工質(zhì)流速，m/s；P為靜態(tài)壓力，Pa；μ為工質(zhì)動(dòng)力粘度，Pa·s；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2，式（8）中重力引起的動(dòng)量分量ρg只存在于重力對(duì)應(yīng)方向；cp為工質(zhì)定壓比熱容，J/（kg·℃）；T為工質(zhì)溫度，℃；λ為工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；Sh為體積熱源，與局部輻射能流密度有關(guān)。

基于上述物理換熱模型及理論分析，采用ANSYS Meshing對(duì)該集熱器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用Fluent進(jìn)行其溫度場的穩(wěn)態(tài)模擬，基于以32?傾角南北軸向安裝于南京地區(qū)（32?N）時(shí)的集熱器光學(xué)性能分析結(jié)果，將太陽輻射強(qiáng)度換算為體熱源分別加載于集熱工質(zhì)及Si-PV板，選擇Laminar層流模型，開啟Energy方程及DO（DiscreteOrdinates）輻射模型以模擬集熱器內(nèi)部各組件之間產(chǎn)生的輻射換熱，其收斂標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)定為10-6，運(yùn)用SIMPLE算法進(jìn)行求解，Gradient插值采用基于單元體的最小二乘法插值方法（Least-Squares Cell Based），Pressure插值采用二階格式（Second Order），Momentum，Energy和DO插值均采用二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）。相關(guān)邊界條件的設(shè)置如表3所示。

表3 邊界條件設(shè)置Table 3 Settings of the boundary conditions

此外，以工質(zhì)出口溫度及Si-PV板平均溫度為對(duì)比依據(jù)進(jìn)行了CFD模型的網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最終確定其網(wǎng)格數(shù)量共約336萬，平均質(zhì)量約為0.84，如圖9所示。

圖9 集熱器CFD模型網(wǎng)格劃分Fig.9 Meshing diagram of the collector CFD model

3.2 電/熱性能分析方法

常規(guī)Si-PV板的光電效率可以單位面積Si-PV板的輸出電能與太陽輻射強(qiáng)度之比表示[9]。該效率不僅與Si-PV板的材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)，太陽輻射強(qiáng)度及工作溫度亦為重要的影響因素，因此，理論分析時(shí)Si-PV板光電效率ηel的計(jì)算式為[9]

式中：m˙為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s，m˙=ρπ(0.5D1)2u，D1為工質(zhì)截面直徑，m；Tf，i，Tf，o分別為工質(zhì)進(jìn)、出口溫度，℃；C為幾何聚光比，C=Ac/Ar，即聚光集熱單元體采光面積Ac與單根集熱管表面積Ar之比，為3.85；Ir為集熱器所接收的太陽直接輻射強(qiáng)度，W/m2。

系統(tǒng)綜合效率ηsys,total等于一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出能量與輸入能量之比，即光電效率與光熱效率之和，但考慮到電、熱品位的差異，基于Shamani[12]提出的系統(tǒng)綜合效率評(píng)價(jià)方法，系統(tǒng)綜合熱效率的計(jì)算式為

式中：ηpower為常規(guī)火電廠的發(fā)電效率，為38%[3]。

3.3 結(jié)果與討論

通過理論分析及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，太陽輻射強(qiáng)度、工質(zhì)質(zhì)量流量、進(jìn)口溫度及環(huán)境溫度是影響集熱器性能的主要因素，本文針對(duì)該4個(gè)因素進(jìn)行分析。

3.3.1 太陽輻射強(qiáng)度Ir

太陽能集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電/熱能的設(shè)備，因此，太陽輻射強(qiáng)度應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的主要因素之一。圖10為工質(zhì)進(jìn)口質(zhì)量流量為3.6 kg/h，進(jìn)口溫度為20℃，環(huán)境溫度為25℃條件下，集熱器的工質(zhì)出口溫度、Si-PV板平均溫度及系統(tǒng)瞬時(shí)電/熱效率隨太陽輻射強(qiáng)度的變化情況。由圖10可知，太陽輻射強(qiáng)度由200 W/m2上升至1 000 W/m2時(shí)，工質(zhì)出口溫度提高了52.69℃，工質(zhì)進(jìn)出口溫差由13.23℃提高至65.92℃，Si-PV板溫度由33.79℃逐漸提高至59.29℃。但由于真空集熱管的熱損主要由輻射換熱引起，一般而言，溫度越高，輻射能力越強(qiáng)，即該部分熱損在工質(zhì)溫度較低時(shí)幾乎可以忽略，因此，系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率變化很小，約為40.29%，電效率由于受Si-PV板的溫升減益影響，由14.17%下降至12.48%，系統(tǒng)綜合熱效率由77.67%下降至73.08%。因此，太陽輻射能作為集熱器的熱源，對(duì)其性能有著較為重要的影響，提高太陽輻射強(qiáng)度可有效地提高集熱器的工質(zhì)出口溫度，但會(huì)對(duì)系統(tǒng)綜合熱效率產(chǎn)生一定的減益影響。

圖10 不同太陽輻射強(qiáng)度下集熱器性能Fig.10 Performance of the collector under different solar irradiances

3.3.2 工質(zhì)質(zhì)量流量m˙

工質(zhì)質(zhì)量流量的大小影響工質(zhì)吸收太陽輻射的時(shí)間及其與集熱管道的對(duì)流換熱能力。圖11為當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，工質(zhì)進(jìn)口溫度為20℃，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，集熱器的工質(zhì)出口溫度、Si-PV板平均溫度及系統(tǒng)瞬時(shí)電/熱效率隨工質(zhì)質(zhì)量流量的變化情況。

圖11 不同工質(zhì)質(zhì)量流量下集熱器性能Fig.11 Performance of the collector under different working fluid mass flow

由圖11可知，隨著工質(zhì)質(zhì)量流量的增大，工質(zhì)出口溫度及進(jìn)出口溫差均顯著減小，這是由于工質(zhì)吸收太陽輻射的時(shí)間逐漸減少，工質(zhì)質(zhì)量流量由3.6 kg/h增大至18 kg/h時(shí)，工質(zhì)出口溫度降低了52.42℃。進(jìn)出口溫差由65.92℃降低至13.50℃，但系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率由40.24%提升至41.21%，這是由于工質(zhì)熱損以輻射形式產(chǎn)生，溫度越低，則熱損越小，且該溫度的變化對(duì)Si-PV板的影響很小。因此，系統(tǒng)瞬時(shí)電效率波動(dòng)很小，保持在12.48%～12.56%，系統(tǒng)綜合熱效率約為73.71%。

3.3.3 工質(zhì)進(jìn)口溫度Tf，i

工質(zhì)進(jìn)口溫度直接影響工質(zhì)的出口溫度及其輻射換熱的能力。圖12為當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，工質(zhì)進(jìn)口質(zhì)量流量為3.6 kg/h，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，集熱器的工質(zhì)出口溫度、Si-PV板平均溫度及系統(tǒng)瞬時(shí)電/熱效率隨工質(zhì)進(jìn)口溫度的變化情況。

圖12 不同工質(zhì)進(jìn)口溫度下集熱器性能Fig.12 Performance of the collector under different inlet working fluid temperatures

從圖12可以看出，工質(zhì)進(jìn)口溫度由5℃升高至25℃時(shí)，工質(zhì)出口溫度由70.97℃升高至90.68℃，工質(zhì)進(jìn)出口溫差及系統(tǒng)瞬時(shí)電/熱效率變化均不大，平均分別為65.93℃，12.49%和40.24%，系統(tǒng)綜合熱效率約為73.11%。

3.3.4 環(huán)境溫度Ta

環(huán)境溫度也是影響集熱器性能的主要因素之一。圖13為當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，工質(zhì)進(jìn)口質(zhì)量流量為3.6 kg/h，進(jìn)口溫度為20℃時(shí)，集熱器的工質(zhì)出口溫度、Si-PV板平均溫度及系統(tǒng)電/熱效率隨環(huán)境溫度的變化情況。

圖13 不同環(huán)境溫度下集熱器性能Fig.13 Performance of the collector under different ambient temperatures

由圖13可知，環(huán)境溫度自-10℃升高至40℃時(shí)，由于采用隔熱效果較好的真空集熱管，忽略了工質(zhì)與外界的自然對(duì)流換熱，因此，工質(zhì)出口溫度及進(jìn)出口溫差變化很小，平均分別為85.54℃和65.54℃，系統(tǒng)瞬時(shí)熱效率約為40.01%，但Si-PV板平均溫度由27.51℃逐漸提升至68.84℃，系統(tǒng)瞬時(shí)電效率由14.59%下降至11.85%，系統(tǒng)綜合熱效率由78.06%下降至71.62%。

綜上所述，太陽輻射強(qiáng)度、工質(zhì)質(zhì)量流量、進(jìn)口溫度及環(huán)境溫度均會(huì)對(duì)集熱器性能產(chǎn)生不同程度的影響。為明確描述所設(shè)計(jì)的集熱器系統(tǒng)綜合熱效率的變化趨勢，將其關(guān)于歸一化溫差（T*，[（Tf，o+Tf，i）/2-Ta]/Ir）進(jìn)行擬合，并與幾種不同類型的太陽能集熱器進(jìn)行比較，包括Sultana[8]設(shè)計(jì)的雙透鏡式（Double Lens）太陽能集熱器、線性菲涅爾反射式微聚光型（MCT）太陽能集熱器、平板式復(fù)合拋物面型（CPC-T1）太陽能集熱器及日內(nèi)瓦TVP Solar公司生產(chǎn)的平板式太陽能集熱器（TVP Solar SA），如圖14所示。

圖14 不同太陽能集熱器系統(tǒng)綜合熱效率比較Fig.14 Comparison of thermal efficiency among several solar collectors

由圖14可知，在歸一化溫差為0.2時(shí)，所設(shè)計(jì)的MFCPV/T集熱器的系統(tǒng)綜合熱效率約為60.3%，明顯優(yōu)于Double Len（47.0%）及TVP（36.7%）等其他類型的太陽能集熱器，即在歸一化溫差較大時(shí)仍能保持較高的系統(tǒng)綜合熱效率，因此，該集熱器應(yīng)用范圍將更為廣泛。

4 結(jié)論

本文基于太陽光譜分頻利用技術(shù)，從解決聚光型光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的高溫減益等問題出發(fā)，構(gòu)建了一種新穎的小型菲涅爾式CPV/T集熱器，其高度僅180 mm、聚光比約為3.85，通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)其光/電/熱性能進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

①遮擋損失、余弦損失及安裝傾角是影響集熱器光學(xué)效率的主要因素，當(dāng)集熱器以與安裝地緯度大致等值的傾角南北軸向安裝時(shí)可獲得最佳年均光學(xué)效率，如南京地區(qū)為64.97%。

②基于光伏/光熱模塊分離式的結(jié)構(gòu)建立了系統(tǒng)電/熱分析模型，并提出了系統(tǒng)綜合熱效率評(píng)價(jià)方法，通過建立的理論分析模型及Fluent仿真模型分析得知，太陽輻射強(qiáng)度、工質(zhì)質(zhì)量流量及進(jìn)口溫度均會(huì)對(duì)集熱性能產(chǎn)生顯著影響，當(dāng)出口溫度為90.68℃時(shí)，系統(tǒng)瞬時(shí)電/熱效率分別為12.47%和40.09%，系統(tǒng)等效綜合熱效率達(dá)72.91%，集熱性能優(yōu)于現(xiàn)有的其他類型的小型太陽能集熱器。

③通過理論分析發(fā)現(xiàn)，該集熱器以60?傾角南北軸向安裝時(shí)的年均光學(xué)效率亦可達(dá)45.99%，結(jié)合其簡單的整體結(jié)構(gòu)及輕薄的外形，易實(shí)現(xiàn)與普通建筑的有效結(jié)合，可廣泛應(yīng)用于建筑或廠房屋頂?shù)葓龊?，同時(shí)提供電能和高品位熱能。