重力热管在太阳能光电光热利用中的实验和理论研究

【摘要】：在我国,目前建筑能耗约占全社会总能耗的1/3左右,其中占比最大的建筑能耗是采暖和制冷。与气候条件相近的发达国家相比,我国建筑每平方米采暖能耗约是发达国家的3倍。随着人们物质生活水平的提高,对冬季采暖和夏季制冷的需求会逐渐提高,给我国建筑节能提出了巨大挑战。 随着常规能源的日益枯竭和环境问题的日益严峻,太阳能因其清洁、绿色、可再生的特点,引起人们的关注。但是太阳能存在间歇性及能流密度低的特点,规模使用需要很大的面积。在城市,太阳能与建筑具有非常好的结合性,建筑可以为太阳能的应用提供载体,而太阳能可以大大减小建筑的能耗。光伏发电技术和太阳能光热技术作为太阳能的两种主要利用方式,近年来得到了迅速的发展。太阳能光热技术是目前最成熟、普及率最高的太阳能技术,目前最常见的太阳能光热利用方式为太阳能热水、太阳能空气采暖以及太阳能热泵。太阳能光伏光热综合利用(PV/T)技术将太阳能光伏发电技术和太阳能光热技术有机结合,一方面系统可以同时得到电能和热能,提高了太阳能的综合利用率；另一方面,冷却流体可以带走光伏电池的热量,降低电池工作温度,提高电池的光电效率。 重力热管是一种具有良好传热性能的元件,依靠自身内部工作液体的相变实现传热。重力热管与普通的太阳能平板集热器或PV/T集热器具有很好的结合性,可以解决普通水冷系统冬季结冰的问题,同时通过热管的间接传热避免了集热器吸热板芯的腐蚀,提高了集热器的寿命；另外热管具有非常好的等温性,与PV/T结合时可以降低光伏电池间的温度差异,提高其光电转化效率。热管与太阳能集热器结合方式主要有两种,一种是将普通的整体式重力热管(简称整体热管)与太阳能集热器的结合；另外一种是重力环形热管(简称环形热管)的改造,将整个集热器作为环形热管的蒸发段,将水箱里面的盘管作为冷凝段。环形热管的蒸发段和冷凝段分离的特性使其与建筑具有非常好的结合性；同时环形热管和热泵也具有非常好的结合性,二者可以采用相同的循环工质,可以采用相同的集热器-蒸发器,可以大大简化系统的结构。 本文将整体热管和环形热管与普通的太阳能集热器和PV/T集热器结合,提出了整体热管式PV/T系统、环形热管式太阳能光热系统、环形热管式PV/T系统；同时将环形热管与光伏-太阳能热泵系统结合,提出了光伏-太阳能环形热管／热泵复合系统(PV-SALHP/HP)。环形热管可以减小热泵系统的能耗,热泵可以弥补太阳能间歇性的特点,通过对热管运行模式和热泵运行模式的切换可以提高设备利用率和太阳能利用率。 本文的研究工作主要包括以下几个方面： (1)设计和搭建了整体热管式PV/T系统,并对系统在有、无玻璃盖板下的综合性能进行了比较。结果显示,有玻璃盖板时系统日平均光热效率为41.30%,日平均光电效率为9.42%,日平均(?)效率为6.87%。无盖板时系统的日平均光热效率为37.16%,日平均光电效率11.51%,日平均(?)效率为8.01%。同时建立了整体热管式PV/T系统的动态数学模型,并与实验结果进行了对比,结果表明二者具有很好的一致性。 (2)设计和搭建了环形热管式PV/T系统和普通水冷型PV/T系统的对比实验台,并对二者的综合性能进行了比较分析。结果表明,环形热管式PV/T系统具有较低的光热效率,较高的光电效率,但是二者具有相近的炯效率。 (3)设计和搭建了环形热管式太阳能光热系统,对不同充注量下系统的热性能进行了长期的室外测试,并通过三次线性插值的方式求解出了系统的最佳充注量。结果显示,不同充注量下,集热器和系统的热性能拟合都呈现相同的趋势,为先增大后减小,而热损都是逐渐减小；系统最佳的体积充注量为36.6%。 (4)设计和搭建了动力环形热管式太阳能光热系统,并对50%体积充注量下系统的热性能进行了实验研究。结果表明拟合后的集热器和系统的热性能与普通的水冷型光热系统性能接近,拟合系统日平均热效率为51.4%。 (5)建立了直膨式光伏-太阳能热泵系统的动态数学模型,并与实验结果进行了验证。结果表明,对压缩机功率及水箱温度的模拟具有较好的一致性；由于压缩机模型中未考虑两相的影响,光电效率只考虑了温度对效率的影响,模拟的压缩机进口压力和光电效率与实验结果具有较大的误差。 (6)设计和搭建了光伏-太阳能环形热管／热泵复合系统(PV-SALHP/HP),并对热管单独运行模式下和热泵运行模式下系统的性能进行了实验研究。研究结果表明,热管单独运行模式下,系统的日平均热效率为43.6%,日平均光电效率为11.3%；热泵单独运行模型,系统的日平均COP为3.66,日平均光电效率为12.1%,日平均光热效率可达57.5%。 【关键词】：太阳能 热管 热泵 光热转换 光电转化 光电光热综合利用
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU18;TK519
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-33
• 1.1 我国的能源概况14-17
• 1.2 太阳能利用技术17-27
• 1.2.1 太阳能光热利用18-23
• 1.2.2 太阳能光电利用23-25
• 1.2.3 太阳能光电光热综合利用25-27
• 1.3 本文的主要内容27-33
• 第二章 整体热管式PV/T系统的实验和理论研究33-60
• 2.1 整体热管式PV/T系统实验台介绍33-36
• 2.1.1 整体热管的工作原理33-34
• 2.1.2 整体热管式PV/T集热器34-35
• 2.1.3 整体热管式PV/T系统测试平台35-36
• 2.2 实验测试36-42
• 2.2.1 实验测量方法及测量仪器36-39
• 2.2.2 整体热管式PV/T系统综合性能分析39-41
• 2.2.3 实验设计及安排41-42
• 2.3 实验结果分析42-48
• 2.3.1 瞬时热效率对比42
• 2.3.2 瞬时电效率对比42-43
• 2.3.3 热力学第一定律效率对比43-44
• 2.3.4 光热烟效率对比44-45
• 2.3.5 热力学第二定律效率对比45-46
• 2.3.6 典型热效率和典型综合效率对比46-48
• 2.4 实验误差分析48-49
• 2.5 整体热管式PV/T系统的理论模型49-54
• 2.6 整体热管式PV/T理论与实验测试验证54-58
• 2.7 本章小结58-60
• 第三章 环形热管式PV/T系统的实验研究60-71
• 3.1 对比系统的实验平台介绍60-61
• 3.2 系统性能分析61-70
• 3.2.1 瞬时光热效率对比62-64
• 3.2.2 瞬时光电效率对比64-67
• 3.2.3 环形热管压力及压差分析67-68
• 3.2.4 系统的综合性能和(?)效率分析68-70
• 3.3 本章小结70-71
• 第四章 环形热管式太阳能光热系统71-90
• 4.1 环形热管式太阳能光热系统实验台介绍71-73
• 4.1.1 环形热管的工作原理71-72
• 4.1.2 环形热管式太阳能光热测试平台72-73
• 4.2 实验测试73-76
• 4.2.1 实验仪器73-74
• 4.2.2 实验设计及安排74-75
• 4.2.3 太阳能光热系统的评价分析75-76
• 4.3 实验结果分析76-89
• 4.3.1 不同充注量下瞬时光热效率对比77-79
• 4.3.2 不同充注量下压力及压差对比79-81
• 4.3.3 不同充注量下系统的温度分布81-84
• 4.3.4 不同充注量下集热器的性能84-85
• 4.3.5 不同充注量下系统的性能85-88
• 4.3.6 系统的最佳充注量88-89
• 4.4 本章小结89-90
• 第五章 动力环形热管式太阳能光热系统90-102
• 5.1 动力热管式太阳能光热系统实验平台介绍90-92
• 5.2 实验仪器92-93
• 5.3 系统设计及实验分析93-101
• 5.3.1 瞬时光热效率分析94-95
• 5.3.2 压力波动及压差分析95-96
• 5.3.3 集热器的温度分布96-98
• 5.3.4 热管传热性能98
• 5.3.5 集热器的热性能98-99
• 5.3.6 系统性能拟合99-101
• 5.3.7 误差分析101
• 5.4 本章小结101-102
• 第六章 直膨式光伏-太阳能热泵系统的理论分析102-117
• 6.1 直膨式光伏-太阳能热泵系统的理论模型102-110
• 6.1.1 工质的流动传热模型102-103
• 6.1.2 PV/T集热器-蒸发器模型103-105
• 6.1.3 压缩机模型105-106
• 6.1.4 节流阀模型106
• 6.1.5 水冷冷凝器模型106-107
• 6.1.6 工质流动的摩擦压降模型107-108
• 6.1.7 工质与管壁的对流换热系数模型108-110
• 6.2 直膨式光伏-太阳能热泵系统的理论模型与实验验证110-115
• 6.3 本章小结115-117
• 第七章 光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统117-128
• 7.1 光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统实验平台介绍117-119
• 7.1.1 PWT集热器-蒸发器介绍118-119
• 7.1.2 热泵子系统关键部件介绍119
• 7.2 光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统的实验研究119-127
• 7.2.1 热管单独运行系统实验研究120-123
• 7.2.2 热泵单独运行系统实验研究123-127
• 7.3 本章小结127-128
• 第八章 全文工作总结及展望128-130
• 8.1 全文工作总结128
• 8.2 后续工作展望128-130
• 参考文献130-137
• 附录 术语表137-139
• 附录 图表清单139-143
• 致谢143-144
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果144-145

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