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The experimental study of trough concentrating solar photovoltaic/thermal system

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Academic year: 2019

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(1)

第 31 卷 第 9 期

阳 能 学 报

2010 年 9 月 A C T A E 人E R G L 今E S )L 气田5 SIN IC A

V ol .3 1 S e

n ., N o .9

,2 0 10

文章编号: 0之衬.砚准晰(20 10) 09 一11钵 07

聚光太 阳能热 电系统的实验研 究

王六玲

,

徐永锋2

,

,

明2

,

王云峰2

,

林文贤2

,

魏生贤2

(1. 云南师范大学物理与电子信息学院, 昆明 65 姗 2 ;

2. 云南师范大学可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室,昆明 65 以刃2

摘 要 : 利用所设计的 2甘 槽式聚光热电联供系统,对晶硅阵列和砷化嫁电池阵列进行性能测试实验,结果表明: 砷化稼电池阵列的聚光特性优于晶硅电池阵列!优选出一定聚光比作用下性能较好的砷化稼电池阵列建立 10 时 槽式太阳能聚光热电系统,实验表明:10时 系统的电池阵列 电效率为 23 .21 % ,系统光电效率和光热效率分别为

9.88 % 和49 .84 % ,系统拥效率为 13 .48 % ,比基于槽式聚光加热真空管系统拥效率高 巧8% ,比平板光伏发电系统拥 效率高 16 % !对采用空间太阳电池阵列的 10耐 聚光热电系统性能分析表明,槽式聚光热电联供系统发电成本已

与平板的持平,且每年还可提供48 38 .38 MJ 热量供用户使用!

关键词: 聚光; 太阳电池; 热电系统 ; 实验

中图 分 类 号 : T K5 19 文 献 标 识 码 : A

0

弓I 言

高效利用太 阳能,提高太 阳能利用品位,是当今

世界太 阳能利用 的热点之一!以低成本的聚光反射

装置汇聚太 阳光,光强被浓缩 X 倍后作用于光伏 电 池,则其输出功率将成倍增加,可降低太阳能光伏发

电成本 ;同时,采用强制冷却方式可保证聚光后光伏

电池处于正常工作状态,并可获热能利用,提高能量 综合利用率,实现光伏与光热 的结合 (Pv /T )!文献 1,2∀首先提出了热电联供系统 ;文献#3 一6]报道 了 P

V /T 系统集热性能 ;文献 [7 一ro ∃对平板式 PV /T 系 统进行了研究 ;文献#11,12∀对系统运行成本及 系统 经济性能方面进行 了报道 ;文献 13 ∀对槽式聚光系 统的设计和热电性能进行 了研究 ;文献#14 ,巧∀在实

验室里对单片常规 电池进行 了实验和模拟计算,而

实际聚光状态下对 电池阵列性能的研 究未见 报道 !

聚光状态下深人 系统地研究 PV /T 电池阵列特性并 与常规太阳电池发电及太阳能热利用进行性能及经

济比较,是聚光太 阳能热 电联供系统研究的重要关

键所在!本 文采用 2耐 槽式太 阳能 聚光热 电联供

(TC PV /T )装置,对聚光后 的单 晶硅电池阵列 %多 晶硅 电池 阵列%空间太阳电池阵列 %砷化稼 电池阵列进行

性能实测研究,在分析热 电系统性能基础上,选择性

能优越的砷化稼 电池阵列建立 10 耐 TC PV /T 系统,

并获得实验结果!研究工作将 为太 阳能聚光作用下 热电系统规模化应用提供科学依据及支撑!

1 T C P

V /T 实验系统及工作原理

TC Pv /T 系统 由4 部分组成 :抛物镜面和支撑体 构成的反射系统,光伏电池阵列%蓄电池和逆变器构

成的高品位 电能输 出系统,热水 和存储箱构成的热

能输出系统,控制卡%步进 电机和 电动推杆构成的自

动跟 踪 系 统!采 用 M O DEM 60 一IA LA SER PO W ER

M ETER 测 量 聚光 光 强,测 量 聚 光 倍 数 的精 度 达

士1% !利用 TRM 一印 1 和 TR匆一2 采集气象数据和流

体进出口温度,其相应测量仪器 的精度 为:仆 Q一2 型

总辐射 表 为 士2% ;TB S一2一2 型直 辐 射 表 为 土2% ;

EC一95(X )风速传感器为 士(0.3 + O .03V )In/ S;热电偶

温度探 头为 士0 .2& ;涡轮 流量计 为 士1% !电池 阵 列输 出功率采用 TF C40 /45 0 光伏 方阵/组件测试仪测 量,测量精度为 土l% ,电池阵列工作温度用 月uk e 红 外测温仪测 量,测量精度 为 土1% !Tc Pv /T 系统工

作原理如图 1 所示,太 阳光线经槽式抛物反射镜面

收稿 日期 : 2(X 刃一02 一01

基金项 目: 国家 自然科学基金(5(珍厌以科); 高等学校博士学科点 专项科研基金 (2以刃53031 1(x刃l); 云南省科 技计划 资助项 目(2以刀C(X] 162 2(X) 8C A024) ; 教育部长江学者和创新团队发展计划资助

(2)

汇聚到光伏电池阵列上,产生电能对外供电;通过冷

却流体在内腔体内流动强制带走电池上的热量,保 证电池工作在正常温度下,所获得的热量供用户使 用!电池阵列 由导热绝缘胶贴在 内腔体上,内腔体 与外腔体之间由保温材料隔开起保温作用!

l l

抛物反射镜面实际聚光面积为1440 Inln x 145 0Inln ,理 论聚光 比为 16 .92 ,采用激光功率计测量系统实际聚

光比为 10 .27!

12:户 14

,

!

,

6

,, 一岁岁. % % } J J 一一

1.槽式反射镜面 2. 流体贮 热箱 3. 导管 4. 泵 5. 热电联供复合接收器 6. 电能输出电极 7. 太阳光线

8. 支撑连接杆 9 .旋转轴 10. 地面支撑架 11 . 太阳 1

2 . 电池阵列 13 . 导热胶 14 .保 温层 巧. 内腔体 16. 外腔体 17 . 冷却流体

图 1 槽式聚光太阳能 PV /T 系统装 置图

F ig .l r几e di aglaln of tro ugh eoneentrat ing sol ar 即st em

2

T C PV /T 系统实验性能

2.1 2耐 TCI W /T 系统 2.1.1 4 种电池阵列性能测试

设计制作 2耐 槽式聚光 Pv /T 系统如图 2 所示!

图 2 2时 TC PV /T 系统 Fig.2 2衬 代PV /T syste m

电能输出单元 由 4 种电池 阵列组成,其中单 晶

硅电池阵列由 10 片一般商业化电池串联组成,单片

面积为 ro 3Inm x 51 .SInln ;多晶硅电池阵列 由 10 片美

国生产 的单片面积为117 Inln x 75 Inln 的电池 串联组

成 ;空间太 阳电池阵列由 16 片美国生产的单片面积

为 7l lnln x 62 Inln 的电池 串联组成,且基体材料也为 晶体硅 ;砷化嫁电池阵列由 40 片单片面积为 40 Inln x

3

0 Inm 的电池串联组成!在同一时刻,测试 同种 电池

阵列聚光前后的特性参数如表 1 所示!聚光前后 电 池阵列 I- V 曲线如图 3%图 4 所示!

表 1 电池阵列特性参数

T al ∃le 1 Th e 侧叮田11eters of 击玉reni eell arra ys

电池阵列参数 光强 单晶硅电池阵列 多晶硅 电池 阵列 空间太阳电池阵列 砷化嫁电池阵列

I目 /W ∋m 一2

普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 总辐射 直辐射

4 .95 5 .30

5 .50 5 .60

1 .33 3 .田

6 .52 5 .印

5

9 .22 40 .叩

25 .印 33 .98

7 .5 7 .66

1 .77 1 . 12

3 .8988 6 .503 1 9 .1793 9 .5 152 0 .8825 5 0 .% 305 0 .99 2() l 0 .9867 1

979 .5 1 % 7 .30 951 .% 叫 2 .72

8 .07 11.50

1.55 13 .56 7 0 .56

3 6 .2 8

13 .28 6 .67

8 .8 2 65

4 4 .31 66

0 .4 194 2

0 .43 184

9 4 3 .2 1

9 18 .54

95 .70 105 .40

0 .15

1 .7 7

78 .5 1 67 .3 1

2 4 .0 2

26 .53

1 1 .2 7 12 5 .5 7

0 .53336

0 .6 8 7 7 6 9 7 7 .4 8

9臼∃.0

[image:2.587.49.523.554.790.2]
(3)

1 156 太 阳 能 学 报 31 卷 . . . . . 1 1 1

6 片空间太阳 电池 ::: 串

串联联

2 .5 阅2 .0

女1.5

1.0

0 .5 伟

j ,l U n , O 八

(

(

C U O11I1

1.0 2 .0 3 .0 4 .0 5 0 U / V

1 1 1 日! n n

州 \%

1 2 3 4 5 6 7

刀八

3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 刀八

0 0 0 0 0 0 0 0 0806040200141210

孙 州 浏 叫 刻 侧 州!

图 3

Fig .3

普通光强下 4 种电池阵列的 I- V 曲线

T

h e 1- V eurve of dj丑七化nt eell aIT ays in 1 sun

卜 \ , 3 .0 卜 \%

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}

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一2当

\

}))仃单晶砰电他傲城伙 r o[ ) 片多晶硅电池串叹

刀 1.0 2 0 3 .0 4 0 5 乃

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召/ V

图 4 聚光光强下 4 种电池阵列的 I- V 曲线

Fig .4 Th e j- V eurv e of di玉 re nt eell ~ ys in eonc en trating irra dian ee

电池阵列的填充因子和效率可由(1)%(2) 式计算:

%%产 r

%11

,. 二

,

Z .

%

了 吸 了

%

F 尸 = 尸~ V oc l,

尸二

甲= nI !日IA cel l

式 中,尸~ ∗ 最大功率点 ;嵘,I ∗ 分别为电池阵 列的开路 电压 和短路 电流;A% ∗ 电池 面积;I%,

n∗ 在聚光下分别为直辐射和实际聚光比;在普通聚

光下 Id 为总辐射且 n 二1!由表 1 可知,聚光后,太阳

能流密度增加,所有电池阵列的光生载流子增多,短路

电流 I,变大,开路电压 嵘 有小幅度增加!光强汇聚后

引起电池温度升高%串联 内阻 R, 增加[6一9)∃,当 R s 增

加,电池的填充因子 FF 降低!聚光后,晶硅电池阵列

的效率 刀都会下降,其 中单晶硅电池阵列的效率由聚

光前的7.5% 下降到 1.刀% ,多晶硅电池阵列的效率 由

聚光前的 7.肠% 下降到 1.儿% ,空间太阳电池阵列的

效率从13 .28 % 下降到6.67 % !而砷化稼电池的效率反 而增加,从 撰.m % 增加到 26 .53 % !主要原因可由(3)

j懈 释,输出功率的损失主要由 产R, 决定,从表 l 可 知,晶硅电池阵列串联 内阻 R, 大,且 电池中流经电流 也很大,导致输出功率损失巨大,效率会下降很多;而 砷化嫁电池阵列聚光后为高电压低电流输出,且串联 内阻 Rs较小,因此输出功率损失较小,效率会增加!

尸二塑鑫

q

兰11

一火 1

1{二

二Z十1)一

0 ),

,,

*_

(3)

式中,A ∗ PN 结品质因子;k∗ 玻尔兹曼常数; 兀∗ 太阳电池的工作温度;q ∗ 基本电荷常数;

R s∗ 电池的串联 内阻 ;10 ∗ 二极管反 向饱 和电 流;I L∗ 光生 电流 ;N ∗ 电池阵列 的电池片数!

图 3 和图4 为聚光前后电池阵列 I- V 特哇曲线,由 图可知,聚光前所有电池阵列特性曲线都较好,聚光后

只有砷化稼电池阵列保持较好 的 I- V 特性,主要原因

在于砷化稼材料具有带宽(E g二1.43 eV )%与太阳光谱匹 配良好%吸收系数大%抗辐射能力强%高温性能好等优 点困,在阳光的激发下,其光生载流子属直接跃迁型,

相应的吸收系数很大,I,增大!本系统采用的砷化稼 电池阵列聚光后电池效率增加到26 .53 % ,最大输出功 率放大了11 .14 倍,与文献#9,ro,13∀报道相符!叠层砷 化稼电池 的极限效率可以达到约 40 % 训,在 翎 倍或 者更高倍数的聚光下,砷化稼 电池仍然保持 25 % -2

7 % 的光电转化效率圈,因此砷化稼电池是 Pv/ T 系统

较好的选择!

2.1.2 采用 4 种电池阵列的 2耐 TCPV /T 系统性能 比较

系统 电性能和热性能是评 价 TC PV /T 系统性能

优劣的主要参数,本文对采用 4 种 电池 阵列 的系统

进行热电性能测试,测试条件为 :平均 风速 0.5而s,

最大风速 1而S;直辐射强度 范围 8的 一850 W/ 讨 ;环 境温度变化范围 18 .1 一22 .5& ;冷却工质流量相对 稳定在 40 U h,误差范围约在1U h!根据测试结果计 算系统的热%电效率,公式如下 :

刀t= mc p,f(几,一Ti)/IdA ! (4)

甲p%= p ~ /IdA ! (5)

式 中,m ∗ 工质的质量 流量 ;c p,f∗ 工质 平均温

度下的定压 比热容 ;T%和 T%t∗ 分别 为工质 的进

出口温度;几∗ 平 均直 辐射 ;A m∗ 聚光 有效 面

积;尸~ ∗ 电池阵列的最大输 出功率!计 算结果

[image:3.592.46.278.23.822.2]
(4)

李 \ 并 簇 编 象 睽 李

\ 哥 掇 滚 编 睽

0 0 10 0 .0 2 0 0 .0 3 0

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o n 八 O U n U 0 C U C U C U 4 1 4 0 3 4393837373635

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几 /W 一,∋& ∋耐

0 .0 10 0 .0 2 0 0 0 3 0 4 8 4 6 4 5 4 4 4 3 4 24947

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图5 采用 4 种电池阵列的T(于v /T 系统效率曲线

F

i t.5 Effi eien叮 eurv es for 代PV /T 叮stenl adO Pte d fo ur sol ar eell aIT ays

由图 5 可知,采用多晶硅 电池阵列的系统热效 伏热电联供系统最佳选择!本文 2时 TC PV /T 系统 率最高,其次为单 晶硅电池阵列系统,最差的为砷化 聚焦宽度较大,为 10c m ,而采用 的砷化稼电池宽度 稼电池阵列系统!因为多晶硅 电池 阵列面积大,汇 只有 4c m ,大部分汇聚光强没有被利用,不仅影响系 聚的光能大部分被电池吸收,而砷化钵 电池阵列面 统热效 率,而 且在 聚 光后,将 光 电转化 效 率达 到

积小,大部分光照射在吸收率较小的内腔体上,系统 26 .53 % 的砷化稼电池阵列系统的电效率降到仅约为

能量吸收较少,热效率较小!因砷化稼 电池优异的 5.4% !因此本文结合砷化嫁 电池特征提出优化方案,

电性能使采用砷化嫁 电池阵列 的系统 电效率最高, 改进反射镜面,减小聚焦宽度,让大部分光强汇聚在电

其次为空间太阳电池阵列系统,多晶硅 电池阵列系 池阵列上,还增加反射面开口宽度,提高聚焦比!同时

统 电性能最差! 建立 10mz 卫J w /T 系统,并进行测试实验!

由实验 和计算结果可知,砷化嫁电池为聚光光 2. 2 10 耐 T O W IT 系统

(5)

115 8 太 阳 能 学 报 31 卷

系统的综合性能与 2(X 又年Aus tral ian N at ion al Uni ve r-s

ity (AN U) 建立的 300 耐,峰值功率 4D kw ,聚光 比 38 倍 TC PV /T 系统 的性能进行了比较,如表 2 所示!

图6 10时 槽式聚光 PV /T 系统 Fig.6 20衬 加ugh eoneen加ring PV /T systern

表 2 两套槽式聚光 PV IT 系统特性参数

T able Z 皿le p~ lete rs Of tw o 加ugh eoneen回 ing PV /T syst ems

系统参数/时 10 3田

镜面面积/时 1 2.18

镜面数 10 136

总面积/时 9 .25 297 总 电池 面积/甘 0 .19 6 .8 镜面面积/电池面积 69 .9 44

旋转角度/( ) 士75 士叩 精确度/( !) 0 .1 0.1

聚光比 20 x 38 x 镜面效率 0 .65 0 .83 电池阵列光电效率/% 23 .21 21

集热器采光率 0. 9 0. 94

水箱容积几 150 以X洲∃

总输出最大直流电功率/kw 0 .823 32 热功率/kw 3.326 1印

注:测试条件 :直辐射 以X∃W/ 甘,环境温度293 K,风速 1而s

由表 2 可知,本文 10耐 TCPV /T 系统 聚光比%镜 面效率和集热器采光率 比 AN U3田耐 系统都要低,

且单位镜面面积上 的电池面积也要小,因此本 系统

单位面积输出功率为 82 .3W ,而 AN U 系统单位面积 输 出功率为 106 .67 w ;但本系统输出功率提升空间 很大,如提高本系统镜面效率和增加系统聚光比,采 用镀银镜面可使反射率增至 0 .9,则本系统单位面 积输出功率为 113 .95 w !若优化 电池 阵列,如减少 光伏 电池 间 隙可 在 长 sm 的 内腔 体 上 贴 长 度 为

o .03 m 的砷化稼 电池 16 6 片,再使焦线宽度从 原来

的 6c m 减小至只有 电池 的宽度 4c m,则单位面积的

输出功率可达17 7 .33 W !

由于热 电价值不一,槽式聚光热电联供复合系 统性 能 须用拥 效 率 进 行 分 析,经 计 算 得 到 10衬 TCPV /T 系统的拥效率为13 .48 % ,单独平板光伏发 电系统拥效率为11 .64 % ,基于槽式聚光系统加热真 空管拥效率为 5.22 % !TC PV /T 复合系统拥效率 比 真空管佣效率高 158 % ,比平板光伏发 电系统佣效率 高 16 % !3 种太 阳能利用设备在同一时刻测试 的实 验数据如表 3 所示,佣效率的计算公式如下 :

%

, /%%

0 7 2矛 吸了%子 了子 .%

E USe 二() %elec + m {[h 一( T!+ 273 .15)s∀%,

-#h 一( 了!+ 273 .15)%∀,!}

亏~

A m l

E use

一, ; %(% T!+ 273.151

5 7 7 7

式中,Q %flec ∗ 太 阳能利用设备 的最大输 出功率 ; h, %∗ 分 别 为工 质 在进 出水 温 度 下 的烩 和墒 ;

Ta∗ 环境温度 ;Ie∗ 辐照度 ;A m∗ 采光面积!

表 3 3 种太阳能利用设备的性能对 比

廿!,al∃le 3 C om l∃an son wi th the pe rfo rm an ee of th e thr ee solar ut让ize e卿 四 ents

踢拥 采光面积 辐照度 环境温度 进水温度

/时 /W ∋m 一2 /& /&

槽式聚光加热真空管 1.95 gro .0 18 .0 40 .0 平板光伏发电 1.肠 94 1.0 18 .0 一 槽式聚光热 电联供 9 .25 910 .0 18 .0 40 .0

出水温度

/&

流量

/L∋h 一l

最大输 出 电功率/W

5 9 .40 40 .0 一 5 .22

5 1 32 2印 .0

110 .6()

780 .39

11.麟

13 .48

2 .3 槽式聚光太阳能 PV /T 系统经济性

由表 4 知整套 10 耐 太阳能 TCPV /T 系统的初期 成本为 92 61 ,其最大输出电功率为291 .78 W ,发电

成本为31 .74 /W ;商用 普通单晶硅太 阳电池成本

为 50( X) ,其最大输 出电功率为 160 W ,发电成本为

3

1 .25 /W !可知,该 TCPV /T 样机的发电成本几乎

与普通商用单晶硅太 阳电池持平,但该系统还能获

得额外热收益!

据 表 5 知,全 年 该 太 阳能 系 统 可 获 得 电 能

5

3 4 .02 9k w ∋h,热能共48 38 .38 州 !昆明地 区居 民用

热水除靠太阳能热水器提高外主要靠管道煤气和电

[image:5.589.38.272.364.566.2]
(6)

表4 经济参数表

,

n 山le 4 P a朋 eters of ec ono my

经济 单晶硅空间 接受器和其他 商用普通单晶硅 参数 太阳电池成本 设备成本 太阳电池成本

数值 48 61 叫以) 50以)

效率取国家标准 GB47 06 一1995 要求的 90 % 圈,目前 昆明市民用电价为 0.5 /k w ∋h; 燃气热水器的效率

取国家标 准 QB1 238一91 要求 的 80 % ,燃 烧 热值 为 巧.6咐/耐,目前昆明居 民燃气价格为 1.1 /m3 !设 每年由电热水器和燃气热水器提供的热量与槽式聚 光太 阳能 PV /T 装置获得的相同,为48 38 .38 州 !若 该 热 量 完 全 由 燃 气 热 水 器 供 给,约 需 耗 燃 气 3

8 7 .69 时,合人 民币42 6 .46 ;若 由电热水器 提供,

约需耗电 13 44 kw ∋h,合人 民币 672 !

表 5 槽式聚光太阳能 PV IT 系统的月发电里和产热量

Tab le S TI 记mo ntldy the rm al and eleetri eal output of th e 加ugh eonc elllTa tl飞sol ar PV /T syste m

l月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 直辐射/MJ ∋mZ 3lO .62 283.55 25 6.73 230 .5l 20 3.67 l50 .(X) 149 .73 141.98 174 .50 珊 .7 一230.70 163 .肠 月发电量/kW ∋h 50. 02 9 49 .592 48 .11 6 47 .1印 45 .724 39 .以科 37 .868 36 .380 44 .424 45 .以抖 47 .192 42 .636

月产热量/MJ 以叉).65 548 .30 496 .44 4 5 .74 393.84 4 2叩.76 289,53 274.55 337 .43 399 .72 44 6 .11 315.31

整套系统以获得电能%降低单位发电成本%提高 光电转化率为主要目的!其发电成本基本与传统的 光伏电池板持平,但获得电能同时还获得大量的热 能,这部分热以约 50 & 的热水形式存储,可供用户 采暖或日常生活用水!对于其热%电的分配方式以 及对用户需求与供给方面的问题将在以后的研究中

进行探讨!

环提高出水温度用作中高温热能的利用,可做到高 效太阳能能量综合利用!因此槽式 聚光 PV /T 系统 具有较好的应用前景!

+参考文献]

3

l

) 基于自主设计制作的2时 TC Pv /T 系统,对晶 硅电池阵列和砷化稼 电池阵列进行性能实验,结果 表明聚光后晶硅 电池阵列 l- V 曲线变成直线,而直

接跃迁型砷 化稼 电池聚光后具有 良好 I- V 特性 曲

线%较高的光 电转化效率和填充因子,其为聚光光伏

系统最佳选择;

2

) 以砷化嫁 电池 阵列 为电能输 出单元建立 了

10时 TC PV /T 系统!由表 2 计算可知,优化后 的系

统,电效率为 9 .88 % ,热 电总效率达 到 49 .84 % ,同 时 系 统翩 效 率 达 到 13 .48 % !并 与 AN U300 时

TCPV /T 系统进行 比较,本系统电池阵列的光 电效率

较高,相同情况下输出电能也更多!若优化 电池阵

列和镜面,该系统输 出功率可达到177 .33 w /时!本 热电系统的佣效率比真空管的拥效率高 158 % ,比平

板光伏发电系统 的拥效率高 16 % ;

3

) 对采 用 高性 价 比的空 间太 阳电池 阵列 的

T

C pV/T 系统和商业化平板光伏 系统进行经济性能 分析可知,规模化 TCPV /T 系统与现在平板 的光伏

电池发电成本持平,且系统可提供相当于同等集热

面积的热水器提供的热水供用户使用,或者再次循

H endri e 5 D . P hotovoltai e/th em lal eoll eetro dev e,oPm eni Pro

-卿 #Final Re户∃ri ] M 仃[R ]. N ew- Y ort : u neol!I月Ix∃rat !

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References

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