串联型太阳能PV/T集热器综合性能研究

摘要

近一个多世纪以来，由于人类社会的高速发展，传统化石能源已无法满足人类的持续需求，此外化石能源的使用也会造成诸如雾霾、酸雨、温室效应等环境问题，因此新能源的开发与应用备受关注。新能源中太阳能因其无限性和清洁无污染性而成为一个不错的选择。为了促进人们对太阳能资源的有效利用，加强太阳能PV/T集热器的推广及应用，文章结合太阳能PV/T集热器的国内外研究现状，提出了一种串联型太阳能PV/T集热器，其利用空气作为传热介质，且集热器空气进出口以对角线形式布置，在出口处放置一个风机用来抽送空气，在这种流动空气的影响下，光伏电池可以散热，降低温度，发电效率会有所上升，此外三块PV/T集热器串联加长了空气流动的距离，获得的热量也会增多，到空气离开集热器时温度会更高。 基于热力学方法与光伏设计标准，本文设计并制作了串联型太阳能PV/T集热器，搭建了实验平台，在西北寒冷地区分别进行了不同流量，不同天气状况下串联型太阳能PV/T集热器光热光电性能的实验测试。对实验数据进行分析，结果表明：集热器全天光热效率最高可达18.43%，全天光电效率最高可达17.36%，最高综合效率为40.36%。随着空气质量流量由0.024kg/s增加到0.038kg/s，通过对集热器瞬时效率的测试可得：截距光热效率由12.75%升高至18.90%，集热器的总热损系数由13.33W/(m2K)增加至18.37W/(m2K)，总热损系数明显偏大，这是因为集热器采用串联的形式，加长了空气流道长度且接口处密封不好，导致集热器热散失较大。 在不同天气状况下，从晴天到小雪天，串联型太阳能PV/T集热器全天的集热效率和光电效率变化较小，但全天的得热量由12.69MJ降为1.19MJ，降幅为90.62%，全天光伏输出量由4.53MJ减为0.19MJ，降幅为95.81%。这充分说明天气状况对集热器的光热光电性能有很大的影响，严重制约了PV/T集热器的发展和应用，唯有努力拓展其新功能和与其它新能源应用方式相配合，才能使PV/T集热器得到更高效的利用。此外，将该串联型太阳能PV/T集热器与单块PV/T集热器进行对比，空气出口温度由35.00℃升高为46.61℃，全天发电量由1.98MJ提升至6.31MJ，结果表明串联型太阳能PV/T集热器有更高的空气出口温度和更多的电量输出，在综合性能方面优势明显。 本文通过对该串联型太阳能PV/T集热器各部分能量传递过程的分析，建立了各部分的能量平衡方程和数学模型，并进行了实验验证，结果表明：集热器出口温度的均方根误差为8.43%，光伏输出功率的均方根误差为7.06%，集热器全天集热效率和光电效率的相对误差为7.12%和6.33%。模拟值的曲线和实验值的曲线误差很小，因此，本文所建立的模型是正确的。 利用经过验证的模型理论分析了关键参数对于该集热器集热性能的影响。结果表明：在风速由0m/s增加到4m/s的过程中，集热器效率由22.9%降为16.7%，减少了6.2%，空气出口温度由30.2℃下降到22.2℃，降幅为8.0℃；随着空气进口温度与环境温度的差值不断增大，集热器集热效率不断降低；太阳辐射强度对空气出口温度有较为显著的影响，对集热效率的影响较小；随着环境温度的升高，空气出口温度与集热效率呈线性增加。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 能源结构

1.1.2 太阳能资源的优点

1.1.3 关于太阳能利用的发展情况

1.2 太阳能PV/T集热器的国内外研究现状

1.3 国内外研究现状对本课题的启示

1.4 本文研究内容

第2章 太阳能PV/T集热器实验测试系统构建

2.1 PV/T系统的原理及特点

2.1.1 光伏发电原理

2.1.2 PV/T系统的优点

2.1.3 PV/T系统的种类

2.2 PV/T集热器结构

2.3实验测试系统

2.3.1 实验平台

2.3.2 实验测试设备

2.4 本章小结

第3章 串联型太阳能PV/T集热器的实验研究

3.1 串联型太阳能PV/T集热器性能测试方法

3.2 串联型太阳能PV/T集热器性能评价方法

3.2.1 PV/T集热器集热效率

3.2.2 PV/T集热器光电效率

3.2.3 PV/T集热器的总效率

3.2.4 PV/T集热器的综合效率

3.3 误差分析

3.4 实验结果分析

3.4.1 不同空气流量下的实验分析

3.4.2 不同天气状况下的实验结果分析

3.5 串联型PV/T集热器和单块PV/T集热器对比分析

3.6 本章小结

第4章 串联型太阳能PV/T集热器关键参数影响分析

4.1 PV/T集热器的理论模型

4.1.1 玻璃盖板的能量平衡方程

4.1.2 光伏电池层的能量平衡方程

4.1.3 吸热板的能量平衡方程

4.1.4 流道内空气的能量平衡方程

4.1.5 保温背板的能量平衡方程

4.2 理论模型的求解

4.3 模型验证

4.3.1 误差分析模型

4.3.2 理论模型的验证

4.4关键参数对串联型太阳能PV/T集热器热性能的影响

4.4.1 环境风速对集热器热性能的影响

4.4.2 空气进口温度对集热器热性能的影响

4.4.3 太阳辐照对集热器热性能的影响

4.4.4 环境温度对集热器热性能的影响

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间取得的成果（论文、专利、奖励）