基于新型导蓄热材料的光伏光热墙体实验研究

【摘要】：作为目前最有前景的太阳能源利用技术,太阳能光伏光热建筑一体化(BIPV/T)技术通过光伏光热与建筑结构有效结合,利用光伏发电的同时将照射在电池表面的太阳能转化的热能加以利用,使其具有较高的综合热电效率,得到广泛应用。本文先对基于相变蓄热原理的多孔复合材料进行材料特性的实验研究,选取适宜的相变材料(PCM)与光伏电池元件、建筑构件有机结合形成新型光伏光热墙体系统。对系统在不同构造模式和不同工况条件下进行热电性能的对比测试,并分析找出效率变化规律,讨论经济和节能效益,总结实验测试成果,并提出结构装置优化的合理建议。根据光伏光热模块内部有无填充相变材料将实验分为两种构造模式。构造模式1：填充了以相变材料(GR52)和金属屑(Al)混合而成的导蓄热材料的新型光伏光热墙体系统；构造模式2：未填充相变材料只有金属屑(Al)的新型光伏光热墙体系统；通过调节模拟辐射强度和循环水流量来实现两种构造模式在不同工况下的实验测试。通过扫描电镜(SEM)观察了三种相变材料(GR52、PK52、PX52)的微观形貌及其高温作用下发生的性质变化；用差示扫描量热仪(DSC)测试三种材料的相变温度、潜热值及热容变化；分析测试结果,选取相变温度较低且高温相变前后性质较稳定的GR52作为新型光伏光热模块的填充材料进行测试,分析其在提高光伏光热效率的作用。从集热和光电性能来看,添加了导蓄热材料的新型光伏光热墙体系统取得最大平均集热效率和平均电效率为61.1%和7.8%(工况：模拟太阳辐射强度900W/m2和循环流量6001/h),瞬时热效率和电效率在相应工况下取得最大值87.11%和13.2%,说明系统的平均热电效率与模拟太阳辐射强度变化成正比,存在最优流量使其达到最大值。未添加PCM的系统在相应工况为300W/m2和2001/h下取得最大平均集热效率和平均电效率为31.3%和4.6%,瞬时热效率和电效率为46.67%和7.9%,其平均热电效率与模拟太阳辐射强度和流量变化成反比。添加导蓄热材料的新型光伏光热墙体系统热电综合效率为68.9%,比无PCM系统的热电综合效率(35.9%)提高将近1倍。经过对基于导蓄热材料的新型光伏光热墙体系统的经济性和节能性分析,新型光伏光热墙体系统虽然有较高的初期投资成本7945元/m2,但系统在8h的太阳能模拟辐射强度下的日最大得热量为5947KJ,加上系统日平均最大发电量为0.552KWh,可以为家庭热水负荷节省约16%的电能。本系统动态投资回收期为9.24年,在全寿命周期内获得投资净收益折现值4399.96元,系统的热电值在节能方面相当于减少了4.14t标准煤,获得节能效益为1721.91元,具有良好的经济和节能效益。 【关键词】：相变材料(PCM) 光伏光热 集热效率 光电效率
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU18;TK519
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-23
• 1.1 课题来源12
• 1.2 研究背景及意义12-15
• 1.3 国内外研究现状15-20
• 1.3.1 太阳能集热系统的应用研究15-16
• 1.3.2 太阳能光伏光热建筑一体化系统的发展与应用研究16-19
• 1.3.3 复合相变材料的发展与应用研究19-20
• 1.4 存在的主要问题20-21
• 1.5 本课题的研究内容21
• 1.6 关键性技术问题21-22
• 1.7 课题特色和创新性22-23
• 第二章 实验系统及测试方案23-32
• 2.1 光伏光热墙体的工作原理23-24
• 2.2 光伏光热墙体的实验构造及设计要求24-26
• 2.3 主要测试设备及仪器26-28
• 2.4 测试方案28-31
• 2.4.1 测点布置28
• 2.4.2 集热性能测试步骤28-29
• 2.4.3 光电性能测试步骤29
• 2.4.4 测试工况29-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 新型光伏光热墙体性能测试分析32-69
• 3.1 复合相变材料的测试与分析32-41
• 3.1.1 测试目的、原理及步骤32-34
• 3.1.2 材料制备34-35
• 3.1.3 SEM图像35-37
• 3.1.4 DSC图像37-41
• 3.2 新型光伏光热墙体系统的实验测试(一)41-54
• 3.2.1 集热性能42-51
• 3.2.2 光电性能51-53
• 3.2.3 热电综合效率53-54
• 3.3 新型光伏光热墙体系统的实验测试(二)54-66
• 3.3.1 集热性能54-64
• 3.3.2 光电效率64-66
• 3.3.3 热电综合效率66
• 3.4 本章小结66-69
• 第四章 经济和节能效益分析69-78
• 4.1 系统效率对比分析69-70
• 4.2 经济性分析70-76
• 4.2.1 初期投资成本70-71
• 4.2.2 系统热电负荷71-73
• 4.2.3 回收期73-76
• 4.3 节能性分析76
• 4.4 本章小结76-78
• 结论与建议78-81
• 结论78-80
• 建议80-81
• 参考文献81-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文89-90
• 致谢90

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