太阳能光伏光热系统动态特性理论研究

【摘要】：太阳能是一种清洁的可再生能源,目前太阳能的利用方式主要为光热和光伏两种。太阳能光伏光热集热系统则是一种集光伏发电和光热转换于一体的新型综合系统,将太阳能光伏组件作为集热器,一部分太阳能经光伏组件转换成电能,另一部分转换为热量被管道中流通的工质回收,从而同时产出电能和热能。本文第一章主要介绍了在全球能源危机背景下可持续能源发展状况,并就太阳能技术应用领域的一种综合PV/T系统的发展历史及研究进展做了简要综述。第二章和第三章分别针对采用不同工质的PV/T系统进行了动态仿真分析,第四章则对比分析了一系列具有不同结构设计的PV/T空气集热系统的动态特性。最后就后续工作开展给出简要建议。1.采用水为工质的PV/T系统研究了一种采用水为工质的PV/T系统的动态特性。采用能量平衡方程建立了PV/T系统动态特性模型,分析了出口水温、太阳能电池温度、光伏转换效率、光伏电功率、热输出功率的变化规律,得到了给定天气条件下各性能参数随时间变化的曲线。同时,进一步分析了光伏组件串联数目、入口水温和水质量流率等结构设计参数对PV/T系统动态特性的影响。研究结果表明：在给定工作条件下,随太阳辐射增强,光伏组件工作温度逐渐升高,导致光伏转换效率下降,但总体光伏电功率和热输出功率依然增大；在其他工作条件不变的情况下,随光伏组件串联数目增加,光伏组件工作温度逐渐升高,导致光伏转换效率下降,但总体光伏电功率和热输出功率依然增大；在其他工作条件不变的情况下,随工质入口温度升高,光伏组件工作温度逐渐升高,导致光伏转换效率逐渐下降,整体光伏电功率和热输出功率逐渐减小；在其他工作条件不变的情况下,随工质质量流率增大,光伏组件工作温度逐渐降低,导致光伏转换效率上升,整体光伏电功率和热输出功率逐渐增大；此外,相较光伏组件串联数目,工质入口温度或质量流率的改变对系统光伏电功率和热输出功率的影响要小得多。2.采用制冷剂R410A为工质的PV/T系统研究了一种采用制冷剂R410A为工质的PV/T系统的动态特性。采用能量平衡方程建立了PV/T系统动态性能模型,研究了太阳能电池温度、光伏转换效率、背板温度、光伏电功率、热输出功率等性能参数的变化,得到给定天气条件下各性能参数随时间变化的曲线。同时,进一步分析了制冷剂蒸发温度对PV/T系统动态特性的影响。研究结果表明：在给定蒸发温度下,随太阳辐射增强,光伏组件工作温度逐渐升高,导致光伏转换效率逐渐下降,但整体光伏电功率和热输出功率依然增大；在其他工作条件不变的情况下,随制冷剂蒸发温度升高,光伏组件工作温度随之升高,导致光伏转换效率下降,同时整体光伏电功率和热输出功率减小；此外,光伏组件工作温度仅略高于蒸发温度,因而选择较低的蒸发温度能够有效降低光伏组件工作温度。同时,给定蒸发温度下,光伏组件工作温度或光伏转换效率随太阳辐射改变的幅度并不大,具有较稳定的光伏性能。3.采用空气为工质的PV/T系统研究了一系列具有不同管道结构的采用空气为工质的PV/T系统的动态特性。采用能量平衡方程建立了PV/T系统动态性能模型,分析了太阳能电池温度、光伏转换效率、光伏电功率、电效率、热输出功率和热效率等参数的变化规律,得到给定天气条件下各性能参数随时间变化的曲线。同时,对比无管道的传统光伏组件,分析了不同管道结构对PV/T系统动态特性的影响。研究结果表明：对于一定结构的系统,给定工作条件下,随太阳辐射增强,光伏组件工作温度逐渐升高,导致光伏转换效率和整体电效率下降,但光伏电功率和热输出功率增大,而整体热效率变化幅度不大；对于不同结构的系统,在光伏性能方面,工质流过光伏组件下方时散热效果增强,光伏组件工作温度降低,光伏转换效率上升,同时光伏电功率增大。工质流过光伏组件上方时散热效果减弱,光伏组件工作温度升高,光伏转换效率下降,同时光伏电功率减小。工质同时流过光伏组件上下方,若为单程流,即上下通道连续时,光伏组件工作温度下降,光伏转换效率上升,但光伏电功率反而减小；若为双程流,即上下通道独立,光伏组件工作温度上升,光伏转换效率下降,同时光伏电功率减小；对于不同结构的系统,在热性能方面,工质流过光伏组件上方时的热输出功率大于工质流过光伏组件下方时的热输出功率；改变PV/T系统结构设计对光伏性能和热性能的影响不同,通常提升光伏性能需要以降低热性能为代价,反之亦然；此外,经验证在PV/T系统动态特性仿真计算中忽略辐射传热过程的假设是合理可行的。 【关键词】：太阳能 光伏转换 集热器 光伏光热系统 动态特性 模拟分析
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 中文摘要4-7
• 英文摘要7-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 研究背景13-14
• 1.1.1 全球能源危机13
• 1.1.2 可再生能源13-14
• 1.2 太阳能应用14-17
• 1.2.1 太阳能应用基础14-16
• 1.2.2 太阳能应用前景16-17
• 1.3 太阳能光伏光热系统17-23
• 1.3.1 PV/T系统简介17-18
• 1.3.2 PV/T系统综述18-23
• 1.4 本文研究内容23-25
• 第二章 以水为工质的PV/T系统25-51
• 2.1.1 PV/T系统概述25-26
• 2.2 PV/T系统能量平衡模型26-33
• 2.2.1 模型建立26-30
• 2.2.2 传热系数30-31
• 2.2.3 模型验证31-33
• 2.3 PV/T系统动态特性模拟分析33-49
• 2.3.1 串联数目对动态特性的影响34-39
• 2.3.2 入口水温对动态特性的影响39-44
• 2.3.3 质量流率对动态特性的影响44-49
• 2.4 本章小结49-51
• 第三章 以制冷剂为工质的PV/T系统51-64
• 3.1 PV/T系统概述51-52
• 3.2 PV/T系统能量平衡模型52-57
• 3.2.1 模型建立53-55
• 3.2.2 传热系数55-56
• 3.2.3 模型验证56-57
• 3.3 PV/T系统动态特性模拟分析57-62
• 3.4 本章小结62-64
• 第四章 不同管道结构的PV/T系统对比64-85
• 4.1 PV/T系统概述64-65
• 4.2 PV/T系统能量平衡模型65-75
• 4.2.1 模型建立65-72
• 4.2.2 传热系数72-74
• 4.2.3 模型验证74-75
• 4.3 PV/T系统动态特性模拟分析75-83
• 4.3.1 光伏性能75-80
• 4.3.2 热学性能80-82
• 4.3.3 假设验证82-83
• 4.4 本章小结83-85
• 第五章 总结与展望85-89
• 5.1 本文主要结论85-87
• 5.2 后续工作开展建议87-89
• 参考文献89-98
• 致谢98-99
• 发表论文99-100
• 获奖情况100-101
• 附录101-107

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