自然循环式光伏光热一体化太阳能平板集热器结构设计与数值分析

【摘要】：光电池表面照射的太阳能超过80%转化成了热能，热量的积聚而产生的温升将显著降低其光电转化效率，光电光热综合利用(Photovoltaic-thermal, PV/T)系统能够很好的解决这一难题。鉴此，本文针对PV/T系统的核心部件——光伏光热一体化太阳能平板集热器（Hybrid Photovoltaic and Thermal Solar Flat-Plate Collector，简称PV/T-C或PV/T平板集热器）展开了研究。 结合传热模型的分析，设计了的三种结构的PV/T-C，分别为铝板层压式、玻璃层压式和无空腔式。 借助流体仿真软件Fluent对比分析了三种结构的PV/T-C在接近自然循环的低流速情况下，电池片、盖板和吸收板的温度分布，并重点分析了电池片覆盖率对集热器光电光热性能的影响。结果表明电池片覆盖率的上升会严重损害玻璃层压式的光热性能，但对其光电性能和另外两种结构的PV/T-C的光电光热性能影响都很小。 搭建了实验平台。对比研究了铝板层压式和玻璃层压式PV/T-C与传统的太阳能平板集热器（纯光热）和光伏板（纯光电）的性能差异。结果表明，铝板层压式加权综合效率最高，而传统的纯光热平板集热器和光伏板分别具有最高的光热和光电效率；玻璃层压式的光电效率略低于光伏板。此外，还对比研究了高覆盖率的无空腔式、高覆盖率的铝板层压式以及低覆盖率的玻璃层压式PV/T-C的性能。结果表明，虽然高覆盖率的无空腔式的光热效率最低，但由于光电性能优异，其加权综合效率与铝板层压式相近；低覆盖率的玻璃层压式与高覆盖率的铝板层压式都具有优良的光热效率。 建立了三种PV/T-C的动态数学模型，并对铝板层压式和玻璃层压式的数学模型进行了实验验证；此外，利用已验证的数学模型，结合环境数据，探讨了电池片覆盖率、空气腔厚度、水箱容积和光伏光热板吸收率对PV/T系统性能的影响。结果表明，对于铝板层压式和玻璃层压式PV/T-C，电池片覆盖率对其光电光热性能的影响与流体仿真软件模拟和实验结论相同；为保证系统的光热效率，空气腔厚度应超过15mm；水箱容积越大，光热效率越高，但水箱终止水温相对会降低；增加光伏光热板的吸收率有利于同时提高光电和光热效率。 【关键词】：光伏光热 平板集热器 自然循环 太阳能 CFD研究 动态模型
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK513
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 课题背景与研究意义10-11
• 1.2 自然循环式光伏光热一体化太阳能平板集热器原理11-15
• 1.2.1 光伏光热一体化太阳能平板集热器原理11-14
• 1.2.2 PV/T平板集热器自然循环的原理14-15
• 1.2.3 PV/T平板集热器传热原理15
• 1.3 PV/T国内外研究现状15-19
• 1.4 课题来源与研究内容19-21
• 1.4.1 课题来源19
• 1.4.2 研究内容19-21
• 第二章 PV/T平板集热器结构设计与CFD研究21-34
• 2.1 引言21
• 2.2 PV/T平板集热器结构设计21
• 2.3 PV/T平板集热器效率评价21-23
• 2.4 PV/T平板集热器的CFD建模23-25
• 2.5 PV/T平板集热器CFD分析结果与讨论25-32
• 2.6 本章小结32-34
• 第三章 PV/T平板集热器实验研究34-42
• 3.0 引言34
• 3.1 PV/T平板集热器实验平台34-37
• 3.2 铝板层压式和玻璃层压式与纯光热集热器和光伏板的性能对比37-39
• 3.3 高覆盖率铝板层压式和无空腔式与低覆盖率玻璃层压式对比39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 自然循环式PV/T平板集热器的动态数学模型42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 铝板层压式PV/T平板集热器能量平衡方程42-44
• 4.3 玻璃层压式PV/T平板集热器能量平衡方程44-45
• 4.4 无空腔式PV/T平板集热器能量平衡方程45-46
• 4.5 传热系数计算46-47
• 4.6 质量流量计算47-49
• 4.6.1 压力损失47-48
• 4.6.2 浮升压力48-49
• 4.7 PV/T平板集热器数学模型的求解与验证49-55
• 4.7.1 空间离散化49
• 4.7.2 数学模型的计算机求解49-52
• 4.7.3 数学模型的实验验证52-55
• 4.8 本章小结55-56
• 第五章 自然循环式PV/T平板集热器动态数学模型应用56-68
• 5.1 引言56
• 5.2 PV/T平板集热器数学模型的深入研究56-61
• 5.2.1 质量流量56-57
• 5.2.2 电池片温度57-59
• 5.2.3 各部分能量损失59-61
• 5.3 参数化研究61-67
• 5.3.1 电池片覆盖率61-63
• 5.3.2 空气腔厚度63
• 5.3.3 水箱容积63-65
• 5.3.4 光伏光热板吸收率65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士期间取得的研究成果74-75
• 致谢75-76
• 附录76

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