低倍聚光太阳能光伏光热一体化系统的研究

摘要

聚光太阳能光伏发电系统可以减少太阳能光伏板的使用面积，降低其成本，而聚光太阳能PV/T热电联产是提高太阳能发电系统效率和加速其实用化的一条重要途径。本文围绕低倍聚光太阳能光伏光热发电技术展开了理论和实验研究与分析，主要研究工作和成果如下：
　　 聚光条件下太阳能电池的冷却方式是影响电池输出性能的一个重要因素之一。本文首先建立了聚光条件下硅太阳能电池的热、电特性数学模型，采用数值分析和迭代的方法对电池的输出特性进行了计算，研究了传热过程中的热阻及电池内阻对电池的温度、光电转换效率及输出功率的影响。结果表明，电池温度随聚光率的增加而升高，电池效率和输出功率随聚光率的增加有一个最大值。电池内阻越大电池的效率越低，输出功率越小。佶热过程的热阻越小电池的温度越低、效率越大、输出功率越大。当冷却条件不好，热阻为0.1K.m2/W时，聚光率不能超过4，当冷却条件改善，热阻为0.01K.m2/W时，聚光率可以增加到20倍。聚光器的光学性能是影响聚光效果的关键因素，文中对反射式低倍聚光器的光学性能进行了分析和计算。分别建立了不同聚光比的聚光器在不同截短比时光伏系统物理模型，采用光线追迹技术和蒙特一卡罗(Monte Carlo)法分别对CPC(compound parabolic concentrator)和V型槽聚光器的光学性能进行了理论计算。分析了光线的入射角、聚光器的截短比对聚光器聚光性能、吸收表面能流密度分布的影响。结果表明：相同聚光比的情况下，CPC的光学性能要比V型槽聚光器好，随着聚光比的增加聚光器的实际聚光性能有所降低，随着入射角的增加吸收表面的平均光强是降低的。因此在低倍聚光条件下，CPC由于具有良好的光学性能和成本优势，是一种更好的选择。
　　 建立了不同结构参数的复合抛物面聚光太阳能光伏系统内空气流动及冷却传热数学模型。采用计算流体力学方法分别对不同入射咒强度和入口空气流速下的冷却传热和流动过程进行了模拟，计算了系统内的空气速度和温度分布。结果表明各表面的温度随光照强度的增加而增大，在强制对流状态下，在相同的光照强度下，电池的温度随空气入口流速的增加而降低。研究发现，用镜面不锈钢板作为反射面可以起到翅片的作用，因此上部通道具有更好的对太阳能电池冷却的效果。在相同空气流动速度和光照强度下，下部通道出口空气温度要比上部通道出口空气温度高。下部通道由于有聚光槽内空气的保温作用，减少了系统的热损失，对系统的密封性要求不高，更适合应用于聚光系统光伏光热一体化结构。
　　 建立了以空气作为冷却介质的复合抛物面低倍聚光太阳能PV/T-体化系统热、电性能和火用效率计算模型。研究结果表明：以空气作为聚光太阳能PV/T吞统的冷却介质时，以翅片作为强化换热手段可使热、电效率增加近两个百分点。系统本身结构尺寸、操作环境和系统的运行参数对系统的热、电效率有明显影响。系统局部热效率、总效率和火用效率沿系统长度方向上是增加的，但电效率有所降低，系统空气通道越窄其效率越高，但其最小值受翅片高度和系统聚光率影响。电池温度、系统获得的热能和可用能随光照强度增加而增大。增加空气质量流速可以增加系统效率和降低电池板温度，可保证系统高效安全的运行。在低温环境下运行，对系统热电效率是有利的，但要保证足够的光照强度，并对系统采取良好的保温措施。
　　 设计并搭建了低倍CPC聚光太阳能PV/T单通道空气系统实验台，对不同结构的太阳能光伏发电系统进行了实验研究和性能对比测试。研究发现，在自然冷却条件下，翅片可以降低太阳能电池板的温度，改善太阳能光伏板的电性能。在相同的环境下，当平均风速为0.5m/s时，带有翅片的电池板温度比没有翅片的电池板的温度低约5℃左右，电池面积相同的翅片板的功率要比平板电池功率高6.7％。对平板太阳能PV/T空气系统实验研究发现，随着空气入口流速的增加系统中各表面的温度是降低的，当光照强度为650W/m2时，太阳能PV/T系统电池板最高温度超过75℃。当背部通道空气流速为0.55m/s时，带有翅片的电池板最高温度接近60℃，空气的最大温升近14℃，系统的最大瞬间热效率可达到90％，而平均热效率超过50％。对低倍聚光PV/T空气系统实验研究发现，当背部通道空气的流动是自然对流时，光赆强度为650W/m2时，系统中太阳能电池板的背部温度为82℃，而处于环境中的平板光伏板的背部温度只有55℃。当聚光条件下系统入口风速为1.1m/s时，带有翅片的电池板的温度和处于环境中的电池板的温度比较接近，最高温度接近60℃，比相同的聚光条件下没有风机强制冷却翅片板的温度低近20℃。下部通道内空气的最大温度升为13℃，系统的平均热效率在60％-70％之间。聚光条件太阳能电池的输出电流明显增加，当光照强度为650W/m2，系统的最大短路电流为1.6A，而对应的平板光伏板的短路电流只有0.55A。由于受光照强度变化的影响，聚光系统的开路电压在33V-41V之间波动，充电电压在26V-28V之间波动。低倍聚光太阳能PV/T系统最大输出功率为60W，系统的平均输出功率可以达到56W，相对应的平板系统的平均功率只有20W。而聚光系统在获得电能的同时还可以获得温度超过50℃的热能，所以聚光PV/T系统的综合热电性能要比平板系统的性能优越。

目录

文摘

英文文摘

符号表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 世界能源与环境的现状

1.1.2 太阳能的特点及应用前景

1.2 太阳能光伏光热一体化技术发展与现状

1.2.1 太阳能光伏发展现状

1.2.2 平板太阳能光伏光热一体化技术研究进展

1.3 聚光光伏发电技术的研究进展

1.3.1 聚光光伏发电系统

1.3.1 聚光光伏系统冷却及电热一体化

1.4 本文的主要工作

参考文献

第二章 聚光条件下太阳能电池的能量平衡和冷却

2.1 引言

2.2 聚光条件下光伏组件的能量平衡

2.2.1 光伏电池组件

2.2.2 光伏电池组件的能量平衡

2.3 太阳能电池的电孚特性

2.4 冷却条件下影响光伏组件特性的因素

2.4.1 冷却方式对太阳能光伏组件性能的影响

2.4.2 电池串联内阻对太阳能光伏组件性能的影响

2.5 本章小结

参考文献

第三章 复合抛物面聚光光伏系统光学性能研究

3.1 引言

3.2 复合抛物面聚光器

3.2.1 聚光器的结构和聚光原理

3.2.2 与复合抛物面聚光器相连接吸收面的主要结构形式

3.2.3 复合抛物面聚光器的结构参数

3.2.4 复合抛物蔺聚光光伏系统

3.3 复合抛物面聚光器的光学性能分析

3.3.1 影响复合抛物面聚兜光伏系统电池表面能流分布的主要因素

3.3.2 复合抛物面聚光器的光学性能

3.4 V型槽式聚光光伏系统

3.4.1 V型槽聚光器的主要结构

3.4.2 V型槽聚光光伏系统的三维模型

3.4.3 V型槽聚光器光学性能分析

3.5 CPC聚光性能的实验研究

3.6 本章小结

参考文献

第四章 复合抛物面聚光器冷却特性的研究

4.1 引言

4.2 物理数学模型

4.2.1 冷却传热过程的物理描述

4.2.2 数学模型

4.2.3 CFD求解过程

4.2.4 计算收敛与否的判定

4.3 模拟计算结果与分析

4.3.1 自然对流冷却系统

4.3.2 下部通道空气冷却系统

4.3.3 上部通道空气冷却系统

4.3.4 两种聚光系统结构模拟结果的比较

4.4 本章小结

参考文献

第五章 抛物面聚光太阳能PV/T一体化系统的热电性能分析

5.1 引言

5.2 系统基本结构

5.3 热电联产PV/T一体化系统的传热模型

5.3.1 能量平衡方程

5.3.2 对流和辐射换热系数

5.4 通道内空气能量方程的求解

5.5 系统的性能参数

5.6 计算结果与讨论

5.6.1 聚光PV/T系统温度的变化

5.6.2 影响系统热、电、火用及净电效率的主要因素

5.7 本章小结

参考文献

第六章 复合抛物面聚光太阳能PV/T系统的实验研究

6.1 引言

6.2 聚光太阳能PV/T实验台

6.2.1 供风系统

6.2.2 聚光PV/T系统

6.2.3 测量及数据处理系统

6.3 实验数据处理和误差分析

6.3.1 实验数据处理

6.3.2 实验误差分析

6.4 实验结果和分析

6.4.1 处于环境光照下平板太阳能电池板的电学性能

6.4.2 平板太阳能电池板与带有散热翅片的电池集热板实验结果比较

6.4.3 平板PV/T空气供热系统的实验结果

6.4.4 聚光条件下太阳能光伏、光热系统的实验结果

6.4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 主要结论与创新点

7.1.1 结论

7.1.2 创新点

7.2 未来的主要工作和展望

致谢

攻读博士期间发表的论文