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阿尔及利亚南部基于薄膜太阳能电池的混合太阳能热光伏集热器的比较研究

*通信:

H Haloui、可再生能源阿尔及利亚可再生能源发展中心研究单元，阿尔及利亚，加达亚，47133电话:213023189051;电子邮件: (电子邮件保护)

摘要

光伏集热器已被证明在太阳能方面具有很高的效率能源权力转换;然而，不同的光伏和混合集热器正吸引着许多研究人员。在整个尝试过程中，一种基于薄膜太阳能的PVT细胞基于不同的技术(二元、三元和四元材料)进行了可靠性研究。本文讨论了不同的世代。的能源描述了不同构型的平衡方程。通过Matlab仿真(1D)和ANSYS软件(3D)计算了电效率和热效率的解析表达式。结果表明，以碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物(CIS)和铜铟镓二硒化物(CIGS)为原料的PVT捕集器的捕集效率比以硅和非晶硅(a- si)为原料的PVT捕集器的捕集效率在47% ~ 57%之间。冷却剂的输出温度达到43.2℃，高于基于硅和非晶硅的PVT集热器的输出温度。

简介

许多作者采用了不同的主题的光伏和集热器，如R. K Mishra和G. N Tiwari已经评估和比较能源五种不同类型的光伏组件，即单晶硅和多晶硅非晶硅(薄膜)，CdTe和CIGS的混合光伏热(HPVT)集热器矩阵在恒温下。他们得出结论，单晶硅是生产电力和热能的最佳替代品能源［1］．

G. N. Tiwari和Ankita Gaur用同样的方法讨论了不同技术下的(HPVT)集热器的应用，得到有水流的光伏组件的模块温度比无水流的光伏组件低，而无水流的光伏组件的平均电效率分别为7.36%和6.85% [2］．

G. N. Tiwari, R. K. Mishra和S. C . Solanki介绍了不同的光伏组件(C - si, p-Si, r-Si, a- si, CdTe, CIGS)及其电和热应用，如热加热，干燥，日光照明等，除了发电经济学会对它有利吗能源计划和PVT系统将更可持续地分散发电和收集[3.］．

材料与方法

薄膜太阳能电池是通过在基板上沉积一层或多层薄薄的光伏材料制成的。如玻璃、金属或塑料箔。这种层的厚度范围很宽，从几纳米到几十微米不等。基于无机材料的薄膜光伏技术在实验室和工业上都得到了迅速发展。

太阳能薄膜细胞是地面和空间光伏发电的一种有前途的方法，在设备设计和制造方面有各种各样的选择[4］．在许多其他可能的薄膜技术中，一些最有前途的是基于化合物的薄膜技术半导体特别是:非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化(CIS)和铜铟镓二硒化(CIGS) [3.］．

铜铟镓二硒化(CIGS)

二硒化铜铟镓是一种吸收系数为10数量级的第四系材料⁵厘米⁻¹．因此，与硅基太阳能电池相比，CIGS薄膜厚度仅为1.5-2 μm就足以应用于太阳能电池细胞［5］．CIGS的带隙调节能力以及热和化学稳定性也使其成为一种流行的薄膜吸收材料，并导致电池和模块的效率分别为19.6%和15% [6］．Cu (In, Ga) Se的效率₂(CIGS)复合薄膜太阳能细胞据报道，在钠钙玻璃(SLG)基板上的29^th欧洲光伏太阳能能源最近的会议[7］．另一方面，这些金属衬底细胞可能是不锈钢、铝、钛或铜，到目前为止，柔性基材的效率值较低。到目前为止，在不锈钢和钛箔上所达到的电池效率最高为17.7%和17.9% [8]，因此在本研究中，我们选择了这种衬底，原因是热传导。

二硒化铜铟(CIS)

I-III-VI族三元硫属化合物因其重要性而引起了广泛的关注半导体太阳能薄膜材料细胞具有合适的带隙，高光学吸收和良好的热，化学和辐射稳定性的应用。在各种硫属化合物中，CuInS₂CIS薄膜在高效太阳能薄膜中具有潜在的应用前景细胞因为它们的吸收系数高达10⁵厘米^－1直接带隙为1.53 eV，与太阳光谱相吻合[9，10］．

碲化镉(CdTe)

碲化镉(CdTe)是一种重要化合物半导体II-VI组。它在多晶薄膜、红外探测器、光伏和光电子应用领域具有潜在的应用前景。CdTe的直接带隙为1.45 eV，对可见光具有较高的光学吸收系数，这使得CdTe适用于薄膜太阳能电池的制备。此外，CdTe是一种材料低成本和稳定的吸收器，这使得加工高效太阳能电池成为可能。几种沉积方法如电子束蒸发、封闭空间升华、溅射;采用喷雾热解和真空蒸发法制备CdTe薄膜[11］．

非晶硅(a-Si)

它于1974年首次被发现。这种材料是硅的一种非晶体形式，具有无序的原子结构。它对温度不太敏感。非晶硅是最受欢迎的薄膜技术，电池效率为5%-7%，双结和三结设计使其提高到8%-10% [12］．在光伏组件中，稳定的效率是很重要的，它受不同的环境参数控制。不同的研究人员提出了许多技术来稳定效率[13］．

因此，本文通过对这些薄膜太阳能电池的电效率和热效率的识别，建立了混合太阳能热光伏集热器的模型。

数值模型

本文对基于薄膜太阳能的光伏热混合集热器(PVT)进行了建模细胞(a-Si, Si, CdTe, CIS和CIGS) [14，15]，从而计算PVT集热器的效率和工作温度能源平衡方程。

热能源由太阳辐射得到如下[16]：

(1）

一个_verre:玻璃表面(m²）;

G:太阳能电池吸收的总直接辐射，W/m²）;

τ_verre:玻璃的透过系数;

α_厘米/秒:太阳能电池的吸收系数。

由于玻璃相对于电池发出的辐射是不透明的，玻璃表面成为一个辐射表面，因此混合集热器玻璃与外部环境之间的辐射热损失表示如下:

（2）

h_r,两个:辐射交换系数由下式给出:

（3）

:

（4）

我们通过混合集热器玻璃与外界环境之间的传热方程来表示对流的热量损失为:

（5）

用:

σ: (W/m .)中的Stefan-Boltzmann常数^2°K⁴）;

ε_v:玻璃发射率;

一个_v:玻璃表面(m .²）.

h_c,一个:对流换热系数，它是风速(W/m)的函数^2°K)，由下面的表达式[17]：

(6）

用于热计算能源由混合集热器提供，同样的公式用于热平面集热器的情况。因为事实上，被吸收的太阳辐射只有一部分被转化为电能能源有用的热能能源是:

(7）

其中α*为吸光度因子[16]表示为:

（8）

式(7)中，有效增热Q_th与收集区A相对_c的工厂，热提取因子F_R，太阳辐射G，集热器热损失系数U_便士和冷却液温度T之间的温差_e环境温度T_一个．

热萃取因子F_R，是实际增益有用的比例能源从收集器到收集器整个表面处于入口流体温度时可能有用的最大增益，可计算如下:

（9)

地点:

（10）

:

（11）

该方程考虑了发射管W和发射管外径D的影响，确定了相邻发射管间翅片面积的效率_文本．

总热损失系数U_便士混合太阳能集热器的总损耗为正向U_前收藏家和外向的美国_b的优势。

在此关系式中，假定U_前可以用Klein经验方程计算，公式如下[17］．

（12）

（13）

(14）

(15）

c= N为玻璃毯或玻璃层数;ε_v发射度覆盖的或玻璃板;ε_铜铜层发射度;h_convv-a由风引起的对流换热系数。

（16）

混合式集热器的热效率和电效率分别由以下两个表达式确定:

(17)

（18)

问_避署:这是电池提供的功率由以下关系给出:

(19)

η_裁判:是在参考温度T上测量的参考产量_裁判等于25°C。

β:表示太阳能电池效率与温度之间关系的温度系数。

表1:不同PV组件的温度系数[1，18］．

用ANSYS软件演示了薄膜PVT集热器

ANSYS软件(版本15.0)能够在难以进行精确测量的情况下预测设计的性能。它可以用来创建虚拟原型，并在投入项目之前评估这些设计，节省时间和金钱。它还可以用于优化系统参数，并在不干扰测试夹具的生产力和操作的情况下，在制造系统中找到可能的改进。它曾经发展模型薄膜PVT集热器的几何结构;它被表示在图1．

模拟所考虑的假设是:

1.水被用作冷却剂。

2.将问题考虑为三维稳态问题。

3.玻璃的外表面暴露在恒定的太阳通量下。

4.环境温度是恒定的。

5.对于流量，我们使用0.02 Kg/s的值。

第一种模拟是在一个由光伏形成的矩形区域上进行的细胞在热交换器管板的外面和上面，用水作为冷却剂。在这种情况下，太阳能电池的温度值由于对流和传热流体之间的传热而降低。

图2为本设计的薄膜PVT集热器系统的边界条件。

图3为薄膜PVT集热器壳体CFX的网格信息。

结果及解释

图4给出了以非晶硅(a-Si)、单晶硅(Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化(CIS)和铜铟镓二硒化(CIGS)为主要材料的PVT集热器中冷却剂输出温度随时间的变化规律。对于基于CIGS的收集器(43.2°C)，以及基于CdTe的PVT收集器(43°C)和基于Si的PVT收集器(39°C)相比，基于Si的PVT收集器(41°C)，对于冷却剂的进口温度设置为20°C，这是最好的。

图5分别为非晶硅(a-Si)、单晶硅(Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物(CIS)和铜铟镓二硒化物(CIGS) PVT集热器热效率随时间的变化，其形状呈抛物线状，在12h ~ 14h达到最大值，在中午前后达到最大值，随后下降到最小值，至19h。这意味着我们可以利用热能源由我们的混合收集器全天生产。

可以看出，CIGS的热效率达到最大值为57%，基于CdTe的PVT集热器(56%)和基于CIS的PVT集热器(55%)基于非晶硅的PVT(52%)与基于单晶硅的PVT(47%)相比也达到最大值。

图6分别为非晶硅(a-Si)、单晶硅(Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物(CIS)和铜铟镓二硒化物(CIGS) PVT集热器的电效率随时间的变化。对所得曲线的分析表明，随着辐射的增加，电效率的提高是很重要的;CIS的电效率最大值(21.47%)大于CdTe(20.85%)、Si(19.71%)、CIGS(19.53%)和A-Si(9.20%)。

B.利用ANSYS软件分析薄膜PVT集热器

利用Ansys软件对基于CdTe、CIS、CIGS薄膜太阳能电池的PVT集热器进行了三维仿真。得到的温度分布曲线如下所示。

细胞温度也会升高(图7)沿PVT集热器前进，也就是说，传热流体的输入到输出。这主要是由于流体入口带有一个低温度和提取热量能源从电池，平均温度从25°C上游(输入)到45°C下游(出口)集热器。

案例4:三种PVT采集器的对比:

图8，9，10表示温度进化三种PVT集热器(CdTe、CIS和CIGS)的不同层(玻璃层、铜层、流体层)。

图8显示了进化薄层电池基PVT的玻璃层温度传感器(CdTe, CIS, Si和CIGS)作为传感器宽度的函数，三种材料的温度沿x轴略有变化;这是由12厘米的传感器宽度几乎相同的热传递所解释的。基于CdTe和CIS的PVT传感器的温度值最显著，其次是Si，而基于CIGS的PVT传感器的温度值最不显著。

图9显示温度进化基于PVT薄膜的铜层细胞(CdTe, CIS, Si和CIGS)作为传感器宽度的函数，我们看到的降低进化CIGS和Si相对于CIS和CdTe的温度。

图8-10显示了温度进化由于在玻璃层和传热流体之间通过对流进行热传递，从玻璃层减少到流体。

基于薄膜单元的PVT收集器的流体温度的变化作为收集器(Y)长度的函数(在流体的流动方向上)表示为图10对于相等的流体入口。在25℃时，出口处的值为38.5℃，也就是说偏差小于15℃。

结论

在这项工作中，我们建立了基于薄膜太阳能电池的热光伏集热器(PVT)的模型:非晶硅(a-Si)、单晶硅(Si)、碲化镉(CdTe)、铜铟二硒化物(CIS)和铜铟镓二硒化物(CIGS)。结果表明，基于CIGS的PVT集热器热效率最高(57%)，基于CIS的PVT集热器具有较好的电效率(21.47%)。此外，与其他二元和三元材料相比，基于CIGS的PVT集热器的冷却液输出温度达到了43.2℃的最大值。

命名法

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