基于光谱分频技术的电热多级利用装置设计-...素炮降临 主动技能45可学习跳到空中,产生无数多的魔法球攻击之...
张宝元 万梦钰 钟继康
摘 要：针对现阶段钙钛矿薄膜太阳能电池工作谱段窄、太阳能利用率低等问题，本文提出了一种基于光谱分频技术的电热多级利用装置的设计，采用透明钙钛矿电池作为窗口材料，将200～800nm波段能量直接转换为电能；其余太阳能量透过钙钛矿层，经复合曲面聚集后加热集热器，输出热能，实现太阳能全光谱综合利用。该装置不仅克服了钙钛矿薄膜电池工作谱段狭窄的问题，同时具有结构简单、成本低廉、太阳能综合利用率高等特点。
关键词：钙钛矿；太阳能；光谱分频；电热利用
中图分类号：TU722 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0051-02
近年来，钙钛矿电池研究受到了广泛关注，具有极大的商业应用前景。但是从其太阳能量利用分析不难发现，该电池只能转换200nm至800nm波长范围内约占58%的太阳能量，而其余42%的太阳能量不能被有效利用，浪费严重。基于以上问题，本文介绍了一种基于透明钙钛矿电池的太阳能电热分频利用新技术：将200nm至800nm波长范围的太阳能量直接转换为电能，其余太阳能量转换为热能，从而实现了太阳能电热分频全光谱综合利用。
1 结构设计与性能分析
1.1 整体结构设计
本作品从结构上可分为光电模块、光热模块与追踪模块。光电模块主要工作部分为“印刷”钙钛矿薄膜电池。当太阳光入射时，电池吸收太阳光线中波长300nm至800nm部分的能量，进行发电；波长大于800nm的光线穿过电池，进入下方光热模块。光热模块主要包括复合聚光曲面与集热换热系统，进入本模块的光谱能量被复合聚光曲面聚集后，加热真空集热管，再由紧贴真空集热管腔内的热管将能量导出，加热水箱循环系统。追踪模块分为俯仰追踪与方位追踪两部分，分别由曲柄摇杆机构与止推轴承变形机构驱动。
1.2 光谱分频与光电部分
本作品将钙钛矿薄膜电池印刷在透明导电基底上，当作光学光谱分频器使用。其中钙钛矿薄膜电池作为吸收层，将吸收、转化入射光线中300nm至800nm波段的光谱能量，输出电能；大于800nm的光谱能量穿过钙钛矿吸收层，进入下方装置。
1.3 聚热与换热部分
1.3.1 复合聚光曲面
为使聚光曲面获得更大的光线接收角，本方案采用利用基圆渐开线代替原有抛物曲线尾部的设计。通过渐开线方程与抛物线方程计算后得知：保证聚光曲面的聚光效果，需要曲面对波长在800nm以上的光线有较高的反射率。本作品在复合聚光曲面内表层电镀高反射材料，确保该曲面的反射率能达到设计需求。
1.3.2 相变换热系统
相变换热系统由集热管部分与水循环部分组成。真空集热管由真空管、导热翅片和热管三部分构成。复合聚光曲面将入射光线反射，均匀加热真空集热管，再通过导热翅片将热量传至热管的冷端，热管内导热工质完成“液—气”相变循环，将热能从热管的热端导出，加热循环水箱；循环水箱与储水箱构成水循环系统，通过不定时的循环作用达到加热储水箱的目的。
2 光线追踪与控制系统
2.1 俯仰追踪驱动系统
由于本作品采用地平式追踪系统，因此需要控制俯仰与周向两个方向的自由度。图1为俯仰追踪控制方案的曲柄滑块转动机构计算简图：步进电机控制丝杠转动，促使连杆滑块A端做变速度直线运动，从而保证连杆B（CPC支撑架）端对太阳俯仰变化的精确拟合，使太阳光线始终处于最佳入射角。改设计方案与传统方案的区别是：真空集热管与CPC支撑架旋转轴保持共线，且在支撑架做俯仰运动的过程中保持固定[1]。此方案可有效解决集热水箱与热管的连接问题，防止因疲劳使用而造成的连接不紧密、漏水失热等现象。
2.2 控制原理
考虑到云雾遮挡、阴雨弱光环境造成的日照不连续现象，本作品的光线追踪系统分为主动追踪与被动跟踪两种控制方式。
被动追踪以矩形四象限硅光电池作为控制核心，在日照良好的条件下，根据四象限硅光电池受到的光照强度不同，产生不同电势差以此确定算法，根据算法即可确定太阳的准确位置，从而操控追踪器朝向太阳。主动追踪以天文学算法为核心，初次使用时，设定地理位置信息之后，只需定期读取时钟芯片作为参考，经算法计算后得出太阳理论位置，将追踪器转向该理论位置。当达到理论日落时间后，追踪器自动归位，待次日理论日出时间达到时继续工作。
3 性能测试与结果分析
3.1 钙钛矿薄膜电池性能测试
3.1.1 钙钛矿薄膜电池的工作频段
本作品利用钙钛矿薄膜电池的工作特性进行太阳能光谱分频，因此需要精确测定钙钛矿薄膜电池的工作谱段与透光性能。在测试试验中，采用光谱法测量钙钛矿薄膜电池样品在波长300nm至3000nm波段内的透射率。设置扫描间隔为2nm，光线垂直入射。试验结果表明：在800nm至1300nm波段，该样品钙钛矿薄膜电池的平均透光率可达33.4%。
3.1.2 钙钛矿薄膜电池的光电与光热性能
普通晶硅类光伏电池工作时，光谱中的热辐射造成电池严重的热负荷[2]；而本作品中，光谱中的热辐射能将透过电池，向下传递，改善了电池板的发热情况。
通过对比钙钛矿薄膜电池与单晶硅电池在相同辐照条件下的发电功率，可以得到这样的结论：相同辐照条件下，钙钛矿薄膜电池的光电转化效率略优于普通民用单晶硅光电池板。
3.2 热循环系统
在测试热循环系统的过程中，首先测试了真空集热管的效率。其能量吸收效率由国家太阳能热水器产品质量监督检验中心进行相应测试。之后，在保温良好的情况下通过热力学仿真分析，计算出作品总的热效率为33.4%。实验验证结果与理论计算符合。
3.3 光线追踪
研究表明：同等光强下，当光线垂直入射时，钙钛矿薄膜电池拥有最高的光电转化效率；因此设计光线追踪系统，保持光线对电池板与聚光曲面的最佳入射角，可有效的提升太阳能综合利用效率[3]。设计交叉对比实验：实验变量分别为追踪式与固定式、钙钛矿电池与单晶硅电池。实验数据表明，追踪式对光电池光电转化率的提升可达31.6%。
4 装置综合性能计算
基于以上性能测试结果，可得出作品装置总的效率理论计算公式。其中：全光谱能量中52%可被钙钛矿电池用来发电，其相对转化率为32.27%，即光电效益为16.78%；剩下全光谱能量中48%用来制热，系统相对转化率为33.4%，即光热效益为15.364%，得出装置综合利用率为32.14%。
参考文献
[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]陈则韶，莫松平，胡芃，江守利，王刚.几种太阳能光伏发电方案的热力分析与比较[J].工程热物理学报，2009，30（05）：725-728.
[3]趙利勇，胡明辅，杨贞妮.太阳能利用技术与发展[J].能源与环境，2007（04）：55-57.
