论文信息：
H
uawei Liu, Yongqing Zhang, Xinyu Ju,
Maoqing Pei, Xing Ju, Chao Xu, Optimizations of performance in a spectral beam
splitting photovoltaic/thermal system using ideal optical windows, Applied
Thermal Engineering, 2024, 239, 122097.
论文链接:
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.122097
光谱分光电
/
热系统的性能取决于分光液的特性，而理想光学窗口直接影响着分光液的选择。现有研究大多将理想光学窗口建立在阶跃函数形状上，缺乏系统的研究。本文将待研究的波长范围划分为离散的独立网格，从而引入网格透射率。
在双通道光谱分光光电
/
热系统模型中使用了具有未知网格透射率的假定液体
，
利用粒子群优化算法，以最佳系统性能为目标，确定网格透射率。
图
1
显示了双通道
SBS
PV/T
系统的示意图。两个平行排列的流道位于光伏电池的两侧。在朝向太阳的一侧，充满分光流体的流道（上部流道）与光伏电池之间由空气层隔开。在另一侧，充满水（作为冷却液）的水流通道与光伏电池背面的导热板直接接触，并且水流冷却通道的另一侧是绝缘的。
图1. 双通道 SBS PV/T 系统示意图。
为了使系统达到最佳输出效率，覆盖计算波长范围的光谱区域被划分成独立的网格。在每个离散的波长带中，透射率被假定为常数。本文研究的光谱区域为
300
至
1500 nm
。
图
2
显示了网格透射率的分布，其中网格数为
20
，透射率随机生成。图中所示的
AM 1.5
代表标准化太阳光光谱。对于
SBS PV/T
系统，利用选定的评估标准，可获得与最佳性能相对应的网格透射率。随着网格数的增加，网格化透射率分布趋向于所要获得的
IOW
值。
图2. AM 1.5 标准光谱和网格透射率（随机生成 20 个网格）。
当权重系数等于
0.3
（ω
= 0.3
）时，对不同网格数的网格透射率进行了优化，优化结果如
图
3
所示。网格透射率的分布呈现阶跃函数形状，只有
3
个网格时除外；因为光谱分辨率太低无法提供精细的结果。网格透射率向
100 %
或
0
收敛，导致分布突然下降。如
图
4 (a)
所示，随着网格数的增加，突降所在位置的波长逐渐趋于恒定。同时，系统的总效率也趋于恒定，如
图
4 (b)
所示。所有网格透射率的分布都呈现阶跃函数形状，并有明显的二值化趋势（
100%
或
0
）。在优化过程中，假定透射率分布为阶跃函数。小于初始波长或大于终止波长处的透射率为
0
，其他值为
100%
，如
图
5
所示。在这种情况下，只有两个未知参数需要确定，即初始波长和终止波长。利用粒子群优化算法，确定这两个波长分别为
300.55
和
1178.57 nm
，如
图
4 (a)
所示，确定的阶跃函数分布如
图
3
所示。
图4. 网格透射率（ω = 0.3）的优化结果：（a）波长（b）总效率。
图
5.
阶跃函数式窗口示意图。
对权重系数等于
0.5
时的网格透射率进行了优化，不同网格数的网格透射率分布和
阶跃函数的形状
如
图
6
所示。突降所在的波长位置和总体效率分别如
图
7
（
a
）和（
b
）
所示。与
ω
= 0.3
时的情况类似，随着网格数的增加，透射率分布、终止波长和总体效率都越来越接近最佳阶跃函数式窗口。因此，可以得出结论：要获得最佳的综合电效率和热效率，最佳光学窗口的透射率分布符合阶跃函数形状。
图
7.
网格透射率（ω
= 0.5
）的优化结果：（
a
）波长（
b
）总效率。
用不同的权重系数确定了与最高总效率相对应的最佳阶跃函数式窗口，优化结果如
图
8
所示。当权重系数从
0.76
增加到
0.78
时，终止波长急剧增加，随后达到
1500 nm
。模型中使用的硅电池的外量子效率如
图
9
所示。如图所示，当波长大于
1200 nm
时，外量子效率会降至
0
。因此，当权重系数增加到
0.78
时，终止波长会急剧增加到计算波长范围的上限。为实现不同转化率下的最大能效，利用阶跃函数式窗口进行优化，优化结果如
图
10
所示。当转化率从
0.43
增加到
0.44
时，最佳终止波长急剧增加到
1500 nm
。随后，终止波长达到计算波长范围的上边界，即
1500 nm
。
图
8.
不同权重系数下的阶跃函数式窗口优化结果，以实现最高总效率。
图
10.
不同转换率下实现最大能效的阶跃函数式窗口优化结果。
图
11
给出了光学窗口的最佳初始和终止波长，以及分光流体的体积流量。随着权重系数的增加，为了达到最高的总效率，初始波长增加，终止波长减小，使得光学窗口越来越窄。同时，分光流体的最佳体积流量和产生的热能也逐渐增大，体积流量的增加对整体效率的影响也随之减小。此外，为利用类似阶跃函数的窗口并考虑到泵的功耗，以实现不同转换率下的最大能效为目标进行了优化。优化结果包括初始和终止波长以及光流体的体积流量，如
图
12
所示，波长的变化趋势并不明显。随着转换率的增加，光学窗口会慢慢变窄，分光流体的体积流量也会逐渐减小。
图 11. 考虑泵能耗的情况下，不同权重系数下实现最高总效率的光学窗口优化结果：（a）波长（b）流速。
图 12. 考虑泵能耗的情况下，不同转换率下实现最大效能的光学窗口优化结果：（a）波长（b）流速。
图
13
显示了利用优化结果计算出的透射率分布。为便于比较，还提供了纯水的参数。结果表明，与纯水相比，只使用一种金属纳米粒子的纳米流体的透射率分布更接近最佳窗口。并且使用多种金属纳米粒子的组合比使用单一种类的金属纳米粒子能进一步接近最佳窗口。
本文对双通道
SBS
PV/T
系统的
IOWs
进行了系统而全面的研究。使用了一种假想液体作为分光液体，并将其透射率分布划分为独立的网格。利用粒子群优化算法，确定了这些独立波长网格的透射率，以实现最大的总效率。随着网格数的增加，发现了明显的收敛趋势，从而确定了
IOW
的形状和参数。因此，根据已确定的
IOW
形状进一步优化，以在不同条件下获得更精确的
IOW
。同时还以实现不同转换率下的最佳能效为目标进行了优化。考虑到泵输送流体的功耗，确定了分光流体的
IOW
和流速。最后对金属纳米流体的参数进行优化来匹配
IOW
。
