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作者简介:

常泽辉(1978-),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为太阳能光热利用技术。E-mail:changzehui@163.com。

通信作者:

常泽辉(1978-),男,教授,博士,博士生导师,研究方向为太阳能光热利用技术。E-mail:changzehui@163.com。

中图分类号:TK 513.5

文献标识码:A

文章编号:1673-5005(2024)02-0151-10

DOI:10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.017

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目录contents

    摘要

    为了降低复合抛物面聚光器对跟踪精度的要求, 提高其在集热过程中的光热转化能力,探究入射偏角对新型复合抛物面聚光器非跟踪工况时光热性能的影响机制。理论分析该聚光器在集热过程中的能量转化关系,并利用光学仿真软件 TracePro 研究入射偏角对聚光器光学性能的影响规律;在此基础上搭建非跟踪复合抛物面聚光器性能测试试验台,在实际天气条件下测试分析聚光器光热性能随径向入射偏角的变化规律。结果表明:当光线正入射时,聚光器的光线接收率与聚光效率分别为 100%和 83. 42%;当径向入射偏角 α 为 16°时,该聚光器的光线接收率与聚光效率分别为 53. 00%和 44. 82%;当轴向入射偏角 β 为 30°时,光线接收率与聚光效率分别为 88. 74%和 74. 42%; 在空气流速为 3. 7 m/ s 时,聚光器的最高出口温度与瞬时集热量分别为 31. 3 ℃和 782. 8 W,分别比聚光器接收上偏 10°和下偏 10°入射辐射时提高了 3. 7、6. 1 ℃和 131. 0、217. 9 W;该聚光器接收正入射辐射时的平均光热转化效率为 77. 45%,比接收上偏 10°和下偏 10°入射辐射的平均光热转化效率高 42. 14%和 52. 97%。

    Abstract

    In order to reduce the requirement of tracking accuracy of compound parabolic concentrator and improve its photothermal conversion ability during solar heat collection, it is aimed to explore the influence mechanism of the incident angle on the photothermal performance of the novel compound parabolic concentrator under non-tracking conditions. Firstly, the energy conversion relationship of the concentrator in the heat collection process was analyzed theoretically, and the influence of incident angle on the optical performance of the concentrator was probed with the optical software TracePro. Based on this work, a testing bench for the performance of non-tracking compound parabolic concentrator was built, and the photothermal performance of the concentrator with respect to the radial incidence angle was tested and analyzed under actual weather conditions. The results indicate that the optical performance of the concentrator is the best when the incident angle is 0°, the overall ray’s receiving rate and concentrating efficiency are 100 % and 83. 42 %, respectively. When the radial incident angle is 16°, the overall ray’s receiving rate and concentrating efficiency of the concentrator are 53. 00 % and 44. 82 %, respectively, and these two parameters are 88. 74 % and 74. 42 % when the axial incident angle is 30 °, respectively. When the air velocity is 3. 7 m/ s, the maximum outlet temperature and instantaneous solar heat collection of the concentrator receiving normal solar radiation are 31. 3 ℃ and 782. 8 W, respectively, which are 3. 7 ℃ and 6. 1 ℃ respectively, and 131. 0 W and 217. 9 W respectively higher than those of the concentrator receiving solar radiation with radial incident angle of +10° and -10°. In addition, the average photothermal conversion efficiency of the concentrator receiving normal incident radiation is 77. 45 %, which is 42. 14 % and 52. 97 % higher than that receiving +10° and -10°incident radiation.

  • 太阳能是最具应用潜力的可再生能源之一,对太阳能的高效开发利用是实现能源结构优化、减少碳排放的有效途径之一[1-2]。鉴于地球表面接收到的太阳能能流密度较低,聚光型太阳能集热器的研发成为了关注热点[3-4]。同时聚光器增设对日跟踪系统后的集热能力可以得到有效提升[5],但也会增加系统的投资成本和运维难度,对于聚光器的规模化应用不利[6]。复合抛物面聚光器(compound parabolic concentrator,CPC)因其接收半角大、可实现非跟踪集热而受到了国内外学者的持续研究[7-8],其中通过增大 CPC 接收半角提高其集热性能的相关研究和应用成为了关键[9-11]。如 Xu 等[12]设计出一种五截面 CPC,研究得到该聚光器的接收角从传统 CPC 的±30°增大到了 ±47°。陈嘉祥等[13] 研究了 CPC 安装倾角调整方式对其光学性能的影响,结果表明,全年按月份调整倾角时 CPC 的年总光学效率最高,为 98.10%。在 CPC 性能提升研究中,吸收体的形状尺寸是影响 CPC 光热转化能力的关键参数之一。笔者结合内嵌星形六翼吸收体玻璃直通管的优选,通过理论计算、光学仿真、试验测试的方法分析不同径向入射偏角对 CPC 内部光线传输轨迹、光线接收率、聚光效率、瞬时集热量及光热转化效率等参数的影响,得到该 CPC 在非跟踪工况时的性能随入射偏角变化的规律。

  • 1 复合抛物面聚光器结构与工作原理

  • 1.1 复合抛物面聚光器结构

  • 复合抛物面聚光器主要由玻璃盖板、抛物反射面、玻璃直通管、吸收体、侧板等部件构成,几何模型如图1 所示,其中玻璃直通管内吸收体由 6 个尺寸相同、表面喷涂有可选择性吸收涂层的矩形金属翅片呈放射状焊接而成。 CPC 截面如图2(a)所示,所组成的抛物线方程为

  • 抛物反射面 ab:y=(x+60)2400-40.
    (1)
  • 抛物反射面 ef:y=(x-60)2400-40.
    (2)
  • 抛物反射面 cd:y=x2/400.
    (3)
  • 与传统安装玻璃管真空接收体的 CPC 相比,所研究 CPC 具有以下技术特点:①CPC 焦斑位置接收体由内嵌黑色吸收体的玻璃直通管构成,避免了真空玻璃管的空气夹层,并可降低 CPC 聚光时的“漏光” 和二次反射光学损失; ②内嵌 CPC 吸收体的单层玻璃管价格低廉,在进行多组串联供能系统中,连接难度小、对操作人员技术要求低; ③CPC 入光口处覆盖高透光率的超白玻璃盖板,在减小入射太阳辐射能量损失的前提下,有效保护了 CPC 内部的光热转化等易损部件,减少低温环境中 CPC 的散热损失。

  • 图1 CPC 三维模型

  • Fig.1 3D model of CPC

  • 1.2 复合抛物面聚光器聚光原理

  • 复合抛物面聚光器聚光原理如图2 所示。由图2(a)可知,当光线正入射时,太阳光线会直接或经抛物反射面反射后被吸收体接收。其中光线 1 与光线 3 入射到抛物反射面的端点 ab 后经其反射后被吸收体接收,由边缘光学原理可知,位于光线 1 和光线 3 之间的光线(光线 2)均会经抛物反射面反射后汇聚到吸收体表面。光线 4 经 CPC 底部抛物反射面 cd 反射后被吸收体接收,未入射到抛物反射面 abefcd 的光线 5 直接被吸收体接收。由图2( b)可知,斜入射光线 7、9、10 的入射偏角小于 CPC 的接收半角,因此光线经抛物反射面反射后被吸收体接收,但当太阳光线的入射偏角大于 CPC 接收半角时,如光线 6 和 8,入射光线会经抛物反射面多次反射后逸出 CPC。因此设计接收半角大的 CPC 对于非跟踪聚光集热技术的实际应用尤为重要。

  • 对于非跟踪 CPC,入射偏角是如何影响其聚光集热性能值得进一步研究。采用光线接收率 ηo、聚光效率 ηc、进出口温差 ΔT、瞬时集热量 Q 及光热转化效率 η 等性能评价参数对 CPC 的光热性能进行定量评价[14],各参数的计算式如下。

  • 图2 CPC 聚光原理示意图

  • Fig.2 Schematic diagram of focusing principle of CPC

  • (1)光线接收率。

  • η0(α)=N(α)N(0).
    (4)
  • 式中,ηoα)为 CPC 的光线接收率; Nα)为吸收体表面在入射偏角为 α 时接收到光线数,条; N(0)为吸收体表面在光线正入射时接收到光线数,条。

  • (2)聚光效率。

  • ηc(α)=E(α)/E(0).
    (5)
  • 式中,ηcα)为 CPC 的聚光效率; Eα)为吸收体在入射偏角为 α 时接收的太阳辐射能,W/ m 2; E(0)为正入射时 CPC 入光口处的太阳辐射能,W/ m 2

  • (3)瞬时集热量。

  • Q=πd24cpρvTout -Tin .
    (6)
  • 式中,Q 为 CPC 的瞬时集热量 W/ m 2; ρ 为空气介质密度,kg / m 3; cp 为空气介质比定压热容,J/(kg·℃); v 为空气流速,m/ s; d 为单层玻璃管直径,m; TinTout 分别为吸收体进、出口空气温度,℃。

  • (4)光热转化效率。

  • ηt=t1t2 πd24cpρvTout -Tin dtt1t2 Gsun Acdt.
    (7)
  • 式中,ηt 为 CPC 光热转化效率; Gsun 为太阳辐照度,W/ m 2; Ac 为 CPC 入光口面积,m 2; t 1t 2 分别为 CPC 运行开始与结束对应的时刻。

  • 2 入射偏角对复合抛物面聚光器光学性能影响

  • 2.1 复合抛物面聚光器模型建立

  • 非跟踪 CPC 集热时的安装示意图如图3 所示。

  • 图3 CPC 安装示意图

  • Fig.3 Installation schematic diagram of CPC

  • 当太阳光通过 CPC 入光口处玻璃盖板后,会经抛物反射面反射后汇聚到位于焦斑位置处的玻璃直通管中,进而被吸收体接收进行光热转化。在此过程中吸收体接收太阳辐射能后所产生的热能计算式[15]

  • Ibt=Insinhcosφ+Incoshcosθsinβ.
    (8)
  • 式中,Ibt 为 CPC 入光口接收到的直射辐射能,W· m-2; In 为法向直接辐射,W·m-2; h 为太阳高度角,(°); φ 为 CPC 安装倾角,(°); θ 为太阳方位角,(°)。

  • Idt=ITOT-Ibt.
    (9)
  • 式中,Idt 为 CPC 入光口接收到的散射辐射能,W· m-2; ITOT 为入光口接收到的总辐射,W·m-2

  • I=Ibt+Idt/Cg.
    (10)
  • 式中,I 为 CPC 入光口接收到的有效辐射能,W· m-2; Cg 为 CPC 的几何聚光比。

  • Q1=IAcη1η2τεη3.
    (11)
  • 式中,Q1 为吸收体光热转化产生的热量,W; η1η2 分别为玻璃盖板与玻璃直通管的光线透射率; τ 为抛物反射面的光线反射率; ε 为吸收体的光线吸收率; η3 为复合抛物面 CPC 的聚光效率,可由光学仿真软件 TracePro 计算得到。

  • 将图1 中建好的 CPC 三维模型导入到 TracePro 中,并设置抛物反射面的光线反射率为 90%,玻璃盖板与玻璃直通管的光线透过率为 92%,吸收体的光线吸收率为 100%。此外,地球表面接收到太阳光线的张角约为 0.53°,但考虑到其对非跟踪 CPC 实际聚光集热性能的影响甚微,将 CPC 入光口处的入射光线设置为平行光线[16]。设置中选用平行格点光源模拟太阳光,其光线数为 100 000 条,携带的总能量为 700 W/ m 2

  • 2.2 径向入射偏角对复合抛物面聚光器光学性能影响

  • 当非跟踪 CPC 正南放置时,其性能受到太阳高度角和方位角变化的综合影响。为了便于研究和分析,将 CPC 接收到光线的入射偏角分解为径向入射偏角 α 和轴向入射偏角 β,分别对应于太阳高度角和方位角。研究径向入射偏角 α 对 CPC 光学性能的影响,计算中设置径向入射偏角的变化范围为 0°~16°,计算结果如图4 所示。

  • 图4 径向入射偏角对 CPC 光线传输轨迹与玻璃盖板能流密度变化的影响

  • Fig.4 Influence of radial incident angle on ray tracing of CPC and variation of energy flux density on inner wall of glass cover

  • 由图4 可知,当光线正入射时,入射到 CPC 内的光线均被吸收体接收进行光热转化,玻璃盖板内壁面的能流密度为 0,表明此时没有光线逸出 CPC。当径向入射偏角增大时,部分经抛物反射面反射后的光线通过玻璃盖板逸出。由图4(a)~(c)可以发现,当径向入射偏角增加时,吸收体可接收转化的光线减少,通过玻璃盖板逸出的光线增多,玻璃盖板内壁面能流密度增加。进一步计算了 CPC 光线接收率 ηo 与聚光效率 ηc 随径向入射偏角增大的变化规律,如图5 所示。

  • 图5 光线接收率与聚光效率随径向入射偏角的变化

  • Fig.5 Variation of overall ray’s receiving rate and concentrating efficiency with radial incident angle

  • 由图5 可知,当径向入射偏角增大时,CPC 的光线接收率与聚光效率均呈现由不变到快速减小再到缓慢减小的变化趋势。当 α≤4°时,光线接收率与聚光效率最高,分别为 100%和 83.42%; 当 α 增大到 16°时,二者分别为 53. 00%和 44.82%,当 0°≤ α≤16°时,CPC 的平均光线接收率与聚光效率分别为 82.71%和 68.97%。

  • 2.3 轴向入射偏角对复合抛物面聚光器光学性能影响

  • 非跟踪 CPC 的光学性能除了受到径向入射偏角的影响外,还会受到轴向入射偏角的影响,因此光学仿真时设置轴向入射偏角变化为-30°~30°。通过计算得到轴向入射偏角对 CPC 光线传输情况与逸出光线能流密度分布的影响规律,如图6 所示。

  • 图6 轴向入射偏角对 CPC 光线传输轨迹与侧板能流密度变化影响

  • Fig.6 Influence of axial incident angle on ray tracing of CPC and variation of energy flux density on sidewall

  • 由图6 可知,进入到 CPC 内的正入射光线均被吸收体接收,且吸收体上有效光线接收长度与吸收体实际长度一致,均为 2 000 mm。随着轴向入射偏角的增加,部分光线会被 CPC 抛物反射面反射后投射到远离入射光线的 CPC 侧板,成为未能被吸收体接收的逸出光线,造成吸收体的有效光线接收长度减小,同时导致逸出光线的能量密度增加。当轴向入射偏角为 30°时,吸收体的有效光线接收长度减少 348 mm,进一步计算绘制 CPC 光线接收率 ηo、聚光效率 ηc 随轴向入射偏角的变化曲线,如图7 所示。

  • 图7 光线接收率与聚光效率随轴向入射偏角的变化

  • Fig.7 Variation of overall ray’s receiving rate and concentrating efficiency with axial incident angle

  • 从图7 可知,当轴向入射偏角为-30°~30°时,光线接收率与聚光效率的变化趋势一致,均呈先增大后减小的变化趋势。当 β = 0°时,光线接收率与聚光效率均最大,分别为 100%和 83.42%,随着轴向入射偏角的增大,二者随之减小。当轴向入射偏角增大到 30°时,光线接收率与聚光效率分别减少为 88.74% 和 74.42%,当轴向入射偏角在-30°~30°变化时,二者平均值分别为 94.63%和 79.32%。

  • 2.4 复合抛物面聚光器接收散射光时的光学性能

  • 复合抛物面聚光器结构特性决定了其可以接收部分散射光,这对于其在多云天进行聚光集热是有益的。因此需对 CPC 接收散射光的性能展开仿真计算和分析。其中设置散射光源的光线以均匀随机发射的模式向 CPC 投射,进入 CPC 内的光线追迹如图8 所示。

  • 由图8 可知,表面光源发出的散射光线投射到 CPC 内后,部分光线会经抛物反射面反射后或直接被吸收体接收,其余光线会经抛物反射面反射后逸出 CPC。经计算得到 CPC 接收散射光时的光线接收率为 22.10%,证实了该 CPC 可接收部分散射光进行光热转化。

  • 图8 CPC 的散射光线追迹

  • Fig.8 Scattering ray tracing of CPC

  • 3 径向入射偏角对复合抛物面聚光器光热性能影响

  • 影响复合抛物面聚光器光学性能的主要因素是径向入射偏角,为明晰径向入射偏角对 CPC 光热性能的影响,在室外搭建了非跟踪复合抛物面聚光器光热性能测试试验系统,测试了太阳辐照度、环境温度、CPC 进出口温度、环境风速等参数,计算得到了 CPC 瞬时集热量、光热转化效率等性能评价参数随运行时间的变化趋势,掌握了径向入射偏角对 CPC 光热性能的影响机制。

  • 3.1 测试系统与方法

  • 非跟踪复合抛物面聚光器光热性能测试试验系统结构示意如图9 所示。测试试验台包括两台规格参数相同的复合抛物面聚光器、气象参数监测仪器、温度及空气流速测试仪器。其中 CPC 安装倾角可手动调节以满足测试要求,测试过程中,两台 CPC 东西向水平放置、入光口朝南放置,且前后并联连接。

  • 图9 非跟踪 CPC 光热性能测试试验台结构

  • Fig.9 Structure of non-tracking CPC photothermal performance testing bench

  • 测试过程中,选用太阳能发电监测系统( TRMFD1)测试并记录太阳辐照度。选用 K 型热电偶和由无纸记录仪( Sin-R6000C)实时监测并记录各测点处的温度。选用引风机( JY5-47)驱动传热空气介质,采用结构简单、灵敏度高、适应性强的热线风速仪(testo 405i)对空气流速进行测量记录[17]。本次测试的地点为内蒙古呼和浩特市,在试验测试开始前对所使用测试仪器及元件进行了校核。

  • 在测试太阳辐照度、温度、空气流速等物理参数时会产生直接测量误差,而进一步计算瞬时集热量、光热转换效率等性能参数时会产生间接测量误差。因此为准确评价该 CPC 在实际运行工况下的光热性能,对本次测试的误差进行分析,测试中各待测物理量的直接测试误差如表1 所示。

  • 表1 测试仪器及其测试误差

  • Table1 Testing instrument and error

  • 瞬时集热量与光热转化效率的误差可计算为

  • ΔQ=QT2ΔT2+Qv2Δv2
    (12)
  • 式中,ΔQ 为瞬时集热量的相对误差,%; ΔT 为温度测量误差,%; Δv 为空气流速测量误差,%。

  • Δη=ηQ2ΔQ2+ηGsun 2ΔGsun 2.
    (13)
  • 式中,Δη 为光热转化效率的相对误差,%; ΔGsun 为太阳辐照度的测量误差,%。

  • 在进行对比测试之前,首先需要对两台复合抛物面聚光器在相同运行工况下的光热性能进行对比校核,且为了便于讨论分析,将两台 CPC 分别标定为“1 号 CPC”和“2 号 CPC”。测试过程中两台 CPC 运行工况保持一致,通过测试与计算,得到两台 CPC 的光热转化效率变化趋势,如图10 所示。

  • 由图10 可知,在运行期间内两台 CPC 的光热转化效率变化趋势一致,呈现出随测试时间延长而减小的变化趋势。计算得到 1 号和 2 号 CPC 的平均光热转化效率分别为 69.72%和 69.46%,二者相差 0.37%,满足对比测试要求。

  • 3.2 测试结果

  • 为得到径向入射偏角对复合抛物面聚光器光热性能的影响,通过调整 CPC 的安装倾角,使正午时 CPC 的光线入射偏角分别为上偏 10°(γ = +10°)、正入射(γ = 0°)和下偏 10°(γ =-10°),入射偏角示意图与 CPC 安装实物图如图11 所示。

  • 本次测试日期为 2021 年 10 月 19 日到 2021 年 10 月 22 日,测试时间选择在太阳辐照度满足集热要求的 10:00—14:00,测试期间,流经 CPC 吸收体的空气流速约为 3.7 m / s。为了给测试结果提供理论支撑,在测试日时对不同安装倾角 CPC 的入射偏角进行理论计算,如图12 所示。

  • 图10 测试所用 CPC 的光热转化效率对比

  • Fig.10 Comparison of photothermal conversion efficiency of CPC used in testing

  • 图11 不同安装倾角的 CPC

  • Fig.11 CPC with different installation inclination angle

  • 图12 入射偏角随运行时间变化

  • Fig.12 Variation of incident angle with operating time

  • 由图12 可知,当 CPC 以不同安装倾角运行时,其轴向入射偏角变化趋势一致,均先减小后增大,在正午时最小,为 0°。当 γ = +10°时,CPC 径向入射偏角随运行时间的延长呈现先增大后减小的变化趋势,在正午时达到最大值,为 9.7°。而当 γ = 0°和 γ =-10°时,CPC 的径向入射偏角随时间的延长呈现先减小后增大的变化趋势,正午为最小值,且当 γ = 0°时,CPC 在正午的最小径向入射偏角为 0°。经计算,测试期间 CPC 在 γ = +10°、γ = 0°和 γ =-10°时的平均径向入射偏角分别为 7.4°、2.6°和 12.6°,这表明 CPC 在接收正入射光线时的光学性能最优。测试日的太阳辐照度 Gsun 与环境温度 Ta 的变化如图13 所示。

  • 由图13 可知,在 CPC 分别接收正入射光线与斜入射(γ = ±10°)光线时,所对应测试日的太阳辐照度与环境温度相似度较好,太阳辐照度在正午时达到峰值,分别为 741 和 730 W/ m 2,测试日的平均环境温度分别为 12.3 和 12.1℃。在运行稳定时,CPC 进出口温度变化如表2 所示。

  • 图13 测试日的气象参数

  • Fig.13 Meteorological parameters on testing day

  • 表2 径向入射偏角对 CPC 进出口温度影响

  • Table2 Influence of radial incident angle on inlet and outlet air temperature of CPC

  • 由表2 可知,CPC 进口温度受径向入射偏角的影响较小。但 CPC 在 γ = 0°时的出口温度最高,而在 γ =-10°光线时的出口温度最低。 γ = 0°时,CPC 接收正入射光线的最高出口温度为 31.3℃,分别比 γ = +10°和 γ =-10°时的最高出口温度提高 3.7 和 6.1℃。究其原因,是当太阳光线的入射偏角减小时,吸收体可接收到更多的太阳辐射能进行光热转化,从而生成更多的热能传递给换热空气,并提高其出口温度。 CPC 瞬时集热量随径向入射偏角的变化情况,如图14 所示。

  • 由图14 可知,CPC 在 γ = 0°时的瞬时集热量最多,为 782.8 W,而在 γ = +10°和 γ =-10°时的瞬时集热量分别比 γ = 0°时减少 131. 0 和 217.9 W。究其原因,进入系统的能量均等于离开系统的能量与系统存储的能量之和[18],鉴于 CPC 在运行过程中,其自身存储的能量占比可忽略,所以 CPC 输出热能的多少主要取决于其接收太阳辐射能的数量,对于 γ = 0°时的 CPC,其入射偏角最小,接收到的太阳能辐射能最多,导致其瞬时集热量最高。进一步对比分析了不同径向入射偏角对 CPC 光热转化效率的影响,如表3 所示。

  • 图14 径向入射偏角对 CPC 瞬时集热量的影响

  • Fig.14 Influence of radial incident angle on instantaneous heating collection of CPC

  • 由表3 可知,在太阳辐照度相近的情况下,当 γ = 0°时,CPC 的进出口温差与光热转化效率最高,而在 γ =-10°时最小。 CPC 在 γ = 0°时的进出口温差为 17.8℃,分别比接收 γ = +10°和 γ =-10°时高3.8℃和 6.5℃。此外 CPC 接收正入射辐射时的平均光热转化效率为 77.45%,比接收上偏 10°和下偏 10°入射辐射的平均光热转化效率高 42.14% 和 52.97%。

  • 表3 入射偏角对 CPC 光热特性的影响

  • Table3 Influence of incident angle on photothermal characteristics of CPC

  • 4 结论

  • (1)随着入射偏角增加,从 CPC 逸出的光线随之增多,当光线正入射时,CPC 的光线接收率与聚光效率分别为 100%和 83.42%; 当 α 增大到 16°时,光线接收率与聚光效率分别为 53. 00%和 44.82%。

  • (2)在实际天气条件下运行时,CPC 接收正入射辐射时的出口温度最高,为 31.3℃,比接收上偏 10°和下偏 10°入射辐射时的出口温度高 3.7 和 6.1℃; 此时 CPC 瞬时集热量为 782.8 W,比 CPC 接收上偏 10° 和下偏 10° 入射辐射分别高 131. 0 和 217.9 W。

  • (3)晴天集热工况下,CPC 接收正入射辐射时的平均光热转化效率为 77.45%,比接收上偏 10°和下偏 10°入射辐射的平均光热转化效率高 42.14% 和 52.97%。

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