非均匀辐照及温度场下密集阵列聚光光伏系统的光-热-电耦合机理

Densely packed PV array is the core component of dense array concentrated photovoltaic system. The PV array operates under non-uniform high solar flux conditions, making big challenges for the thermal management of the system. The project is intended to make an inverse problem research of PV array thermal management. By establishing an optical-thermal-electrical coupling simulation model of the dense array concentrated photovoltaic system, the energy conversion and transmission of the PV array operating under non-uniform radiation and temperature combined profiles will be studied. The project is also intended to induce the coupling mechanism of optical, thermal and electrical parameters from limitation curves of PV array performance. The pathway to lower the matching loss by temperature profile adjustment will be investigated. Based on the model and analysis above, the thermal management system which directly facing system power output characterisitc and demand in combined heat and power will be developed, and the results of theoretical analysis will be verified. These researches provide theoretical basis and implementation method for advanced thermal management of dense array concentrated photovoltaic systems.

密集阵列电池是密集阵列聚光光伏系统的核心部件，其工作条件复杂极端，非均匀、高通量的辐射能流是系统热管理所面临的难题。本项目拟从反问题的角度研究电池阵列的热管理问题，建立DA-CPV系统光—热—电耦合的仿真模型，分析电池阵列模块在不同非均匀辐照及温度场下的能量转化与传递规律，通过电池阵列性能极限曲线归纳系统中光—热—电参数的耦合机理，从而探讨非均匀辐照下通过改变电池温度场等因素来减小电池阵列失谐损失、提高系统效能的调控机制和优化方法。基于上述仿真模型和理论分析，进一步开发直接面向系统电能输出特性和热电联产需求的热管理系统并对理论研究结果进行实验验证。本研究工作将为密集阵列聚光光伏系统中先进热管理技术的开发提供理论基础和实现手段。

密集阵列电池模块是密集阵列聚光光伏（DA-CPV）系统的核心部件，其工作条件极端，非均匀、高通量的辐射能流，及其引起的多物理场环境导致了DA-CPV模块复杂的能量损失机理。如何提高系统效率，优化多物理场中的能量管理是DA-CPV发展中所面临的难题。本项目建立DA-CPV阵列的仿真模型，分析电池阵列模块在不同非均匀辐照及温度场下的能量转化与传递规律，研究其能量通过不同途径耗散和损失机理，探索提高转化效率的方法；进而建立DA-CPV系统光—热—电耦合模型，从反问题的角度研究DA-CPV的热管理问题，分析提高系统效能的传热边界调控机制；基于传热边界调控的需求通过数值模拟和实验手段探索适合于DA-CPV系统冷却、吸热的先进高热流密度换热设备；并归纳DA-CPV系统中光—热—电参数的耦合机理，进一步开发直接面向光伏和光热电能输出的太阳能发电系统。. 基于对DA-CPV系统能量转化的深入理解，本项目在三个方面取得具有创新性的突出进展，包括：1）探索通过DA-CPV阵列的合理连接降低失配损失，提出DA-CPV阵列的旋转对称连接方法，可大幅降低甚至几乎消除阵列中的失配损失，提高系统效率约5.5-11.2%（绝对值）；2）结合棋盘的拓扑特征进行换热设备内的流动分配和传热强化，提出双层歧管-棋盘形射流-微针翅复合的换热结构用于DA-CPV模块热边界调控和吸热过程，在700W/cm2热流下，加热表面温升约65K，热阻仅9.37×10-6 Km2/W；3）提出能流适应的光伏-光热复合系统，将DA-CPV模块的热耗散和溢出损失进行梯级利用，提高冷却工质的温度并用于有机朗肯循环（ORC）发电，在高斯分布和圆台分布下，使总电效率分别提升达28%和19%以上。有关的研究工作基于对DA-CPV系统光-热-电耦合规律的深入探索，通过创新的方法降低了非均匀、高通量辐照条件下DA-CPV系统的能量损失，有望彻底解决制约DA-CPV系统发展的瓶颈问题，在国际国内行业和学术媒体获得广泛关注和报道。