光伏直驱式太阳能热水系统的理论和实验研究

【摘要】：太阳能热水系统(SWHS)能大幅降低建筑采暖和生活热水对传统能源的消耗,因而被广泛应用。目前,大多数SWHS是使用集热器阵列和交流泵的主动循环式热水系统。这种系统需要为流体循环安装控制器和温度探头,并且需要电网电力来驱动循环。此外此种系统还存在交流泵频繁启动和停止的问题。这不仅容易导致系统故障,而且不利于泵及控制器的使用寿命。此外,为确保系统的正常运行,不论是在夜晚还是阴雨天气中,系统的循环控制器都必须保持全天24小时持续工作而消耗电能。正是由于这种传统SWHS的循环驱动和控制部分结构复杂安装麻烦,容易出运行故障,且需要消耗电网电力,国际上有学者提出使用光伏电池来驱动热水系统的循环。由于热水系统对循环流量的需求与太阳辐照的变化自然相关,因而可将辐照一方面作为循环启动与停止以及循环流量大小的控制信号,另一方面作为循环驱动能量的来源。正因如此,光伏驱动的太阳能热水系统的循环驱动与控制部分无需控制器,也无需接入交流电网。在多种光伏驱动式太阳能热水系统方案中,光伏直驱式太阳能热水系统(PV-S WHS)更加简单、可靠且经济性更好,因而也更具应用前景。 受限于无刷直流水泵技术以及光伏电池技术,国内外之前对PV-SWHS的研究很少,更缺少对系统设计方法,和其与传统SWHS比较的研究。而目前,直流水泵和光伏电池技术已经成熟。为此,本文在以往相关研究的基础上,提出了一种使用新的光伏模块设计的PV-SWHS,搭建了PV-SWHS与传统SWHS的性能对比测试平台,建立了PV-SWHS的理论模型与仿真程序,深入研究了系统的各项性能及其影响因素,并依此提出了一种PV-SWHS的设计方法,比较了优化设计后的PV-SWHS与传统SWHS在不同条件下的性能差异,为PV-SWHS的实际运用提供了理论和实验依据。具体研究内容如下： 1、搭建了一套PV-SWHS系统。系统使用5块并联的平板集热器和容积为630升的保温水箱,总有效集热面积8.97平方米。测试了无刷直流水泵安装到热水系统上后水泵的输入特性曲线,并依据泵的启动和运行特性提出了两种光伏模块的设计,依此搭建了两套PV-SWHS。 2、搭建PV-SWHS与传统SWHS的对比实验平台,在同样的环境下同时对两种系统的各项性能进行了详细的对比测试,实验研究了不同光伏模块设计对PV-SWHS循环流量特性和系统热性能的影响。结果显示,在晴朗天气时,使用简单串并联结构的光伏模块的PV-SWHS与传统SWHS的全天热性能几乎相同,而使用光伏分组连接结构的光伏模块的PV-SWHS比传统SWHS的全天热性能略高。不同的光伏模块设计会导致不同的系统循环流量变化趋势和直流泵的启动特性。在低辐照时,系统循环流量随辐照而明显变化的PV-SWHS的得热量明显高于传统SWHS。当辐照较低而水箱温度较高时,PV-SWHS出现了集热器阵列输出效率小于0的情况。此外,实验所得到的详细的实验数据为PV-SWHS的实际运用效果以及之后的模拟研究提供了数据支持。 3、建立了PV-SWHS的数学模型并据此编写了仿真程序,利用实验结果验证了模拟结果的准确性。结果表明本文所编写的仿真程序在计算PV-SWHS的光伏模块特性、系统水力特性、系统各部分的热性能等方面均具有较高的精度。 4、通过编写的PV-SWHS仿真程序,研究了不同因素对PV-SWHS性能的影响,并据此确定了系统的核心设计参数及其最佳设计范围。本文将对PV-SWHS的研究分成两个部分。第一部分研究不同的光伏模块组成对系统循环流量的影响。第二部分研究不同循环流量曲线对系统全天热性能的影响。通过这两部分的研究,确定影响系统热性能的主要循环流量特征,并基于此得到PV-SWHS中光伏直流泵组合的最佳设计方向。结果表明,系统循环流量的启动辐照是影响PV-SWHS热性能的最主要因素,其最佳值为250W/m2。 5、研究和比较了三种不同的连接方式(直接连接,光伏分组连接,通过最佳功率输出控制器连接)下系统的循环流量特性。结果表明,不同的连接方式导致不同的系统循环流量特性,使用光伏分组连接方式时的系统经济性和稳定性相对最好。光伏分组连接方式应为中小型PV-SWHS的首选连接方式。 6、提出了一种PV-SWHS的设计方法,比较了优化后的PV-SWHS与相同结构的传统SWHS在不同天气、不同工况下的各项性能。结果表明,正常工况及恶劣工况下PV-SWHS与传统SWHS的热性能均无明显差异。在恶劣工况下,PV-SWHS仍不需使用控制器,且其系统中的泵运行工况相对稳定,而此时传统SWHS出现交流泵频繁启闭的问题。 7、比较了PV-SWHS与传统SWHS的经济性。结果表明,PV-SWHS与传统SWHS的热性能相同,而其在循环驱动和控制部分的初投资更少且无运行费用,经济性十分突出。即使在不考虑传统SWHS中的循环控制器的设备和运行成本,以及将交流泵替换为无刷直流水泵所节约的初始投资和运行成本时,PV-SWHS仍然更经济,其相关设备的相对投资回报期为3年。此外,传统SWHS的结构和安装更复杂,且存在水泵频繁启动和停止的问题。系统维修一次所造成的损失及费用至少在百元量级。因此,在考虑系统安装、维修费用及使用寿命时,PV-SWHS的经济性更加突出。 【关键词】：光伏直驱式热水系统 光伏模块设计 光伏泵 太阳能综合利用
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK515
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 能源与环境12-15
• 1.2 太阳能资源与利用技术概述15-22
• 1.2.1 太阳能光伏发电技术16-18
• 1.2.2 太阳能光热利用技术18-22
• 1.3 光伏驱动式太阳能热水系统研究现状22-25
• 1.4 研究问题25
• 1.5 本文的主要研究内容25-27
• 第2章 光伏直驱式太阳能热水系统的实验与对比研究27-43
• 2.1 对比实验测试平台的结构27-29
• 2.2 光伏模块的设计29-31
• 2.3 对比实验测试31-32
• 2.3.1 实验测试内容31
• 2.3.2 系统性能评价参数31-32
• 2.4 实验结果和分析32-42
• 2.4.1 光伏模块与无刷直流水泵32-34
• 2.4.2 系统的性能表现34-41
• 2.4.3 实验系统的全天热效率比较41-42
• 2.5 本章小结42-43
• 第3章 光伏直驱式太阳能热水系统的仿真模型43-77
• 3.1 光伏直驱式热水系统的结构43-44
• 3.2 气象参数的处理方法44-46
• 3.3 集热器模型及研究46-55
• 3.3.1 集热器的非稳态模型46-50
• 3.3.2 集热器性能的模拟研究50-55
• 3.4 系统热力与水力模型55-65
• 3.4.1 水箱模型55-56
• 3.4.2 连接管路模型56-57
• 3.4.3 无刷直流水泵与水力系统模型57-65
• 3.5 光伏模块的模型65-71
• 3.5.1 光伏模块的设计65-66
• 3.5.2 光伏模块的数学模型及解法66-71
• 3.6 系统整体模型的建立与数值求解71-72
• 3.7 模拟结果的实验验证72-75
• 3.8 本章小结75-77
• 第4章 光伏直驱式太阳能热水系统的模拟研究77-92
• 4.1 不同光伏模块设计的输出特性77-79
• 4.2 光伏模块设计对系统循环流量曲线的影响79-83
• 4.3 循环流量对系统性能的影响83-89
• 4.4 不同光伏模块设计方案的比较89
• 4.5 有无循环控制器的系统热性能的比较89-90
• 4.6 本章小结90-92
• 第5章 光伏模块与直流泵连接方式的对比与选择92-99
• 5.1 系统结构与模型92-93
• 5.2 光伏与泵的几种连接方式93
• 5.3 不同连接方式下系统循环流量的特性93-94
• 5.4 系统循环流量特性的成因和比较94-96
• 5.5 不同连接方式的比较96-98
• 5.5.1 光伏模块的输出效率96-97
• 5.5.2 系统性能比较97-98
• 5.6 本章小结98-99
• 第6章 系统的一种设计方法及与传统系统的性能对比99-110
• 6.1 光伏直驱式太阳能热水系统的一种优化设计方法99-101
• 6.1.1 设计参数的选取99-100
• 6.1.2 设计方法100-101
• 6.2 光伏直驱式太阳能热水系统与传统系统的性能对比101-109
• 6.2.1 对比系统的结构102-103
• 6.2.2 不同天气下的热性能比较103-105
• 6.2.3 阴天不良工况下的热性能比较105
• 6.2.4 泵运行性能的比较105-106
• 6.2.5 经济性比较106-109
• 6.3 本章小结109-110
• 第7章 全文工作总结及展望110-113
• 7.1 全文工作总结110-111
• 7.2 后续工作展望111-113
• 参考文献113-121
• 附录 符号表121-122
• 在读期间发表的主要论文及取得的其他成果122-123
• 致谢123

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