关于太阳能电热综合利用中若干关键问题的研究

【摘要】：太阳能是新能源领域中研究的重点，为了高效利用太阳能，近年来对太阳能电热综合利用（PV/T）进行了大量的研究。但目前对PV/T的研究都是从整体效率出发，论证PV/T的可行性。在PV/T研究过程中的一些关键的问题由于涉及到多个学科，往往被忽略，本文针对这几个关键问题进行了深入的研究。 PV/T系统聚光多是采用中低倍聚光，由于聚光形式各异，其光学效率各不相同，因此很难对比不同聚光方式之间的区别，评价各自聚光方式的优劣。聚光的PV/T系统都采用对日追踪，追踪误差对效率有着明显的影响。本文通过分析比较追踪角度误差对这几种聚光系统的影响，得出接收器为管式的槽式抛物面反射聚光系统对追踪精度的要求最低，菲涅尔反射聚光在追踪误差小于±3°时与其相当，追踪误差对效率的影响小于15%，总的能量损失小于33%，透镜折射和平板接收器的槽式抛物面反射聚光对追踪误差较为敏感。综合比较不同的聚光方式和接收器光强分布特点，提出对PV/T系统而言菲涅尔反射聚光最为合适。 聚光的太阳能系统都用到太阳追踪，从方式上分成主动追踪和被动跟踪，主动追踪精度相对较高，被动跟踪精度相对较低。追踪关键是追踪算法，如何实现高精度追踪和采用什么样的追踪算法，对追踪精度有何要求，目前对此研究相对较少。追踪系统缺乏了这些理论支持，PV/T系统只能作为一种实验装置，难以实际应用。本文对主动追踪的算法进行分析，用空间坐标系变换的方法推导了高度角、方位角关于儒略日时间的表达式，同时对赤经因素对太阳位置的影响进行分析。通过与现有公式进行比较，证明了推导的正确性，为主动追踪控制提供了重要的理论依据。通过数据计算对比，在考虑赤经因素影响下，高度角的最大误差小于0.5°，方位角的最大误差小于0.8°，提高了追踪算法的计算精度。 温度对PV/T系统的电-热利用有着明显的影响，冷却和热交换系统至关重要。传统的研究实验只关注进出口温度和流速，对流道的布置、形式和导热工质并没有进行研究。实际上真正对PV/T系统综合效率影响最大的是流道的布置和流道的形式。太阳能电池串联时温度分布越均匀，电池散热越好，PV/T综合效率才越高。本文对电池的冷却、热交换系统进行了相应的分析设计，通过流道的布置使接收器温度分布均匀；通过流道形式的正交试验，得出流道间隙和波纹夹角对波纹流道的热交换效果影响最大，据此优化流道结构。同时制备了一类γ-Al_2O_3的纳米流体，对其热物性进行测试，得出了热交换的相关参数，为后续的仿真分析提供了依据。 通过对PV/T系统在Trnsys软件中进行运行分析，得知在无冷却条件下聚光倍数过高，会造成太阳能电池的表面温过高，继而影响电池效率。当太阳能电池在有冷却条件下工作时，冷却系统应使太阳能电池的温度控制在80~100℃之间，以达到较为理想的电能、热能输出。 研究表明，采用主动追踪的菲涅尔反射聚光的PV/T系统，可以节省电池芯片的使用，提高太阳能的综合利用率。通过对全年的运行效果分析可以看出，对于太阳能电池的聚光应用，在有冷却系统时发电效率基本不受影响，但聚光可以很大程度上节省电池芯片的使用，使单位面积发电量大大提高，同时还可以将一部分热能利用，使太阳能的综合利用率到达43.4%。 【关键词】：太阳能 电热综合利用 聚光 主动追踪 流道布置
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK519
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 研究背景和意义13-16
• 1.1.1 能源危机13
• 1.1.2 环境危机13-14
• 1.1.3 解决出路14-16
• 1.2 国内外研究相关概况16-28
• 1.2.1 太阳能聚光的研究19-22
• 1.2.2 追踪系统及追踪算法的研究22-25
• 1.2.3 冷却系统的研究25-28
• 1.3 论文目的和主要内容28-30
• 第二章 聚光系统分析30-63
• 2.1 引言30
• 2.2 聚光系统设计30-40
• 2.2.1 太阳圆面张角30-31
• 2.2.2 大气对太阳辐射的影响31-32
• 2.2.3 太阳辐射强度的计算32-33
• 2.2.4 聚光光路设计33-40
• 2.3 聚光方式对接收器光强分布的影响40-46
• 2.3.1 折射聚光与反射聚光对比40-42
• 2.3.2 聚光后光强分布分析42-46
• 2.4 追踪角度误差对聚光的影响46-59
• 2.4.1 透镜折射聚光47-50
• 2.4.2 槽式抛物面聚光50-55
• 2.4.3 菲涅尔反射聚光55-59
• 2.5 实验验证59-61
• 2.6 本章小结61-63
• 第三章 追踪控制系统分析设计63-78
• 3.1 引言63
• 3.2 追踪算法建立条件63-64
• 3.3 日地关系坐标系的建立64-66
• 3.4 赤经 RA、赤纬δ66-67
• 3.5 太阳空间坐标位置67-70
• 3.6 太阳位置关于时间表达式70-72
• 3.7 赤经对时间的修正72-75
• 3.8 聚光追踪系统虚拟样机分析75-76
• 3.9 本章小结76-78
• 第四章 聚光发电与热交换78-112
• 4.1 引言78
• 4.2 太阳能光伏发电78-81
• 4.3 温度对太阳能电池性能的影响81-83
• 4.4 太阳能发电特性试验83-87
• 4.5 太阳能电池冷却系统流道布置87-92
• 4.6 冷却系统流道几何结构分析92-105
• 4.6.1. 波纹流道热交换的分析92-95
• 4.6.2. 波纹流道几何结构正交试验95-105
• 4.7 冷却系统导热工质研究105-110
• 4.7.1. 纳米流体的制备105-107
• 4.7.2. 纳米流体的基础物性试验107-110
• 4.8 本章小结110-112
• 第五章 CPVT 系统运行 Trnsys 分析112-124
• 5.1 引言112
• 5.2 Trnsys 仿真模型建立112-113
• 5.3 聚光、冷却对太阳能电池的影响113-118
• 5.4 热电联合利用系统全年仿真118-123
• 5.5 本章小结123-124
• 第六章 结论与展望124-128
• 6.1 结论124-126
• 6.2 创新点126-127
• 6.3 展望127-128
• 参考文献128-136
• 图表清单136-141
• 作者在攻读博士学位期间研究成果141-142
• 致谢142-143

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