太阳能线聚焦电热联供两级系统换能特性与结构优化分析研究

【摘要】：本文提出的槽式聚光太阳能热电两级系统,其特点是在槽式聚光热电联供系统的基础上增加了金属腔体加热级,再次对用于回收太阳电池热能的冷却工质进行加热,实现保持电能输出效率的同时输出高品质的热能,满足生产生活用热。通过理论分析与实验研究相结合的研究方法,在太阳能线聚焦电热联供两级系统的换能特性和系统结构优化方面进行了系统的研究。本文得出如下结论:(1)通过研究不同聚光光强、不同聚光倍数条件下,太阳电池工作温度、光强对PV/T腔体电能输出的影响特性,建立空间太阳电池的输出特性:开路电压、短路电流、填充因子、最大输出功率以及电池效率与温度、光强的耦合关联性。结果表明:PV/T腔体在一定离焦平面位置,热电联供级镜面开口宽度从57 cm增加到157 cm,短路电流、相对最大功率分别下降了27.16%、27.01%;开路电压、电池效率分别增加了2.19%、83.45%。由此可见,一定范围内,随着槽式聚光镜面开口宽度的降低,几何聚光比降低,空间太阳电池的电效率将会提高。随着槽式聚光镜面开口宽度的增加,空间太阳电池的其他输出特性参数都将提高。(2)太阳电池表面辐照能流不均匀造成太阳电池片上不同位置光生载流子产生、复合和输运差异较大以致太阳电池性能、寿命下降。通过实验研究PV/T腔体在不同离焦平面位置、不同热电联供级镜面开口宽度时太阳电池阵列的输出特性变化,揭示太阳电池片上不均匀能流对电池片光电转换整体性能的影响,确定一定尺寸的空间太阳电池(PV/T腔体)放置的位置以及其最佳镜面开口宽度。结果表明,PV/T腔体在离焦平面5cm、镜面开口宽度为157cm处,最大输出功率取得最大值22.3678W,此时电池效率为2.74%;PV/T腔体在离焦平面3cm、镜面开口宽度为57cm处,电池效率取得最大值5.71%,此时电池最大输出功率为17.916W。PV/T腔体在离焦平面1cm、镜面开口宽度为157cm处取得热效率最大值58.9%,此时冷却工质温升为0.68℃,电池效率为2.2%。(3)太阳辐射能在两级系统中的热电联供级和金属腔体加热级进行光电热的能量转换,换能能流在热电联供级和金属腔体加热级之间的分配是影响系统光热、光电转换效率的关键因素。保证电能输出效率的前提下,为提高系统所获热能品质,本文通过实验研究增加不同长度的加热级金属腔体实现加热级聚光面积的增加下系统的输出性能。结果表明:1.8m2镜面热电联供级与30m2镜面加热级系统,在电池温度为73℃时,金属腔体加热级输出工质温度为62.38℃,温度提高了12.06℃,瞬时热效率为47.26%。在直辐射为992 w·m-2、1000 w·m-2时,金属腔体加热级温升分别为12.87℃、13.32℃,较1.8m2镜面热电联供级与15 m2镜面加热级系统直辐射为896 w·m-2时分别升高了74.86%、80.98%。(4)冷却工质在系统中循环的次数直接决定着系统输出热能的大小。为优化系统结构,通过实验研究了太阳能线聚焦电热联供两级系统在单次循环和闭式循环下的输出热能特性。结果表明:闭式循环下,直辐射为978 W·m-2时,系统的热电联供级热效率、加热级热效率、电效率分别为44.93%、47.26%、2.06%。较直辐射为992 W·m-2、单次循环下分别降低了21.48%、4.97%、20.77%。实验运行10分钟后,水箱中工质温度为46.7℃,提高了10.85℃,1.8m2镜面热电联供级与30 m2镜面加热级系统热效率为22.38%,实验运行20分钟后,水箱中工质温度为54.45℃,温度提高了18.6℃;运行30分钟后,水箱中工质温度为62.8℃,提高了28.7℃。(5)通过对热电联供级、金属腔体加热级分别进行最佳电能输出位置、镜面开口宽度优化以及热能主要输出单元金属腔体加热级加热方式与结构优化,得出热电联供级和金属腔体加热级的匹配和系统运行参数。本文提出的太阳能线聚焦电热联供两级系统,在保证电能输出效率的同时输出所需品质的热能。所得结论为其进一步的研究和实际应用提供了基本理论依据和初步的实验支撑。 【关键词】：太阳能 抛物面槽式聚光 两级系统 金属腔体加热级 输出特性
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符号说明10-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 课题研究的背景及意义12-17
• 1.2 太阳能线聚焦电热联供两级系统的国内外研究现状17-25
• 1.2.1 太阳能光伏（PV）发电系统17-20
• 1.2.2 平板式太阳能光伏光热（PV/T）系统20-21
• 1.2.3 槽式聚光热电联供（PV/T）系统21-24
• 1.2.4 槽式聚光太阳能热利用系统24-25
• 1.3 本文研究目的及创新点25-26
• 1.3.1 研究目的25-26
• 1.3.2 创新点26
• 1.4 本文研究的方法和内容26-27
• 1.4.1 研究方法26
• 1.4.2 研究内容26-27
• 第2章 太阳能线聚焦电热联供两级系统的结构与工作原理27-42
• 2.1 太阳能线聚焦电热联供两级系统27-29
• 2.2 聚光器和跟踪系统29-32
• 2.3 热电联供级32-39
• 2.3.1 太阳电池32-37
• 2.3.2 PV/T腔体37-39
• 2.4 金属腔体加热级39-41
• 2.5 小结41-42
• 第3章 太阳能线聚焦电热联供两级系统的换能特性研究42-56
• 3.1 太阳能线聚焦电热联供两级系统的理论分析42-47
• 3.1.1 太阳能线聚焦电热联供两级系统的电输出特性参数42-45
• 3.1.2 太阳能线聚焦电热联供两级系统的热输出特性参数45-47
• 3.2 太阳能线聚焦电热联供两级系统的电输出性能研究47-53
• 3.2.1 非聚光光强下太阳电池的电性能47-49
• 3.2.2 聚光光强下太阳电池的电性能49-53
• 3.3 太阳能线聚焦电热联供两级系统的热输出性能研究53-55
• 3.4 小结55-56
• 第4章 太阳能线聚焦电热联供两级系统的结构优化分析56-67
• 4.1 PV/T腔体在不同位置、不同镜面开.宽度下系统的特性研究56-61
• 4.2 聚光面积、加热级腔体长度对系统输出特性的影响研究61-64
• 4.2.1 1.8m~2镜面PV/T级与 30m~2镜面加热级系统的输出特性61-63
• 4.2.2 两个不同系统之间的对比63-64
• 4.3 循环次数对系统输出性能的影响研究64-66
• 4.4 小结66-67
• 第5章 总结与展望67-70
• 5.1 本论文工作总结67-68
• 5.2 研究工作展望及后续工作68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士研究生期间发表的学术论文及参与课题情况74-76
• 致谢76

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