多功能太阳能光伏光热集热器的理论和实验研究

摘要

近年来，随着环境问题日益突出，环境治理和节能减排成为我国从上到下广泛关注的问题。发展可再生能源利用技术，降低化石能源在我国能源结构中的比重对我国经济的可持续发展有重大意义。太阳能因其分布广泛、利用方便、清洁无污染而成为减少传统化石能源利用后的重要替代能源。同时太阳能能量密度较低的特点也决定了其需要占用大量的面积。建筑能耗在社会总能耗中占有重要比重。将太阳能与建筑相结合，不占用额外面积，直接在用户端产生的热能和电能，满足建筑中多种用能需求，符合分布式能源就地利用的原则，是太阳能利用的理想方式之一。
　　太阳能光伏光热综合利用(Photovoltaic/Thermal)技术是将太阳能光热利用和光伏发电技术有机结合，在光伏电池组件中引入冷却流体，不仅可以降低光伏电池温度，提高光伏效率，同时可以将吸收的热能搜集起来加以利用，提高系统的太阳能综合利用效率。按照冷却工质的不同，PV/T集热器主要可以分为PV/T空气集热器和PV/T热水集热器两种。对于PV/T空气集热器，非采暖季时由于对热空气没有需求，其集热功能往往处于闲置状态。在没有冷却工质将热量带走的情况下，高温不仅影响光伏电池发电效率和寿命，而且积聚的热量还会导致建筑过热，增加建筑的制冷负荷。而对于PV/T热水集热器，在寒冷季节使用时容易因系统内水冻结导致管路或集热器损坏。解决防冻问题，一般采用排空法或者防冻液二次循环法，但都需要增加投资和系统复杂度，而且会增加运行维护的负担。而相比太阳能热水，太阳能采暖在冬季是更方便、更具有实际意义的利用方式。针对两种PV/T集热器在全年利用时间上的互补性，本文提出了一种多功能太阳能PV/T集热器。多功能PV/T集热器是在传统管板式PV/T热水集热器的基础上，在吸热板背面引入空气流道，使其可以工作于光伏/空气集热和光伏/水集热两种工作模式。根据不同季节的环境条件和用能需求，多功能PV/T集热器可以通过两种工作模式的合理切换，实现太阳能的全年高效利用。
　　本文的研究内容主要包括以下几个方面:
　　(1)设计并制作了具有光伏/空气集热和光伏/水集热两种工作模式的太阳能PWT集热器，分别搭建了光伏/空气集热模式实验平台和自然循环式与强迫循环式的光伏/水集热模式实验平台。实验平台可以实现不同流量、不同进口温度、不同初始条件下的集热器光伏光热性能测试。
　　(2)对集热器的光伏/空气集热模式和光伏水集热模式分别进行了实验测试，分别与传统太阳能集热器和PV/T集热器进行比较分析。结果显示，光伏/空气集热模式下，集热器全天光热效率可达40.1％，全天光伏效率可达10.16％。通过对不同空气流量下集热器瞬时效率的测试得到空气流量由0.0226 kg/s增加至0.039kg/s时，截距光热效率由37.4％升高至46.4％，集热器总热损系数由5.21 W/(m2· K)增加至8.00 W/(m2· K)。在进口空气温度高于环境30℃的情况下，集热器的瞬时光热效率和光伏效率可以达到16.18％和9.03％。光伏/水集热模式下，集热器瞬时光热效率截距56.6％，总热损系数为6.08 W/(m2·K)，光伏效率约为11.5％。自然循环光伏/水集热系统全天截距光热效率为36.4％，总热损系数为0.115MJ/(m2·K)。通过比较集热器光伏/空气集热模式、光伏/水集热模式和单独光伏发电模式的吸热板温度可知，多功能太阳能PV/T集热器全年集热并冷却光伏电池的特点不仅提高了PV/T集热器全年利用效率，同时对提高光伏电池寿命有重要意义。通过与近五年文献中提到的传统集热器和PV/T集热器性能进行比较表明，多功能PV/T集热器光伏光热性能较好，具有综合性能优势。
　　(3)针对多功能PV/T集热器的两种工作模式，分别建立了光伏/空气集热模式的稳态数学模型和光伏/水集热模式的动态数学模型，对集热器两种工作模式下的光伏光热性能进行了计算，并进行了实验验证。结果显示，光伏/空气集热模式下，光伏电池温度与吸热板温度的均方根误差为4.1％和4.6％，集热器出口温度的均方根误差为8.3％，集热器光热效率和光伏效率的相对误差分别为2.6％和8.2％;光伏/水集热模式下，光伏吸热板温度的均方根误差为3.2％，集热器进口温度和出口温度的均方根误差分别为4.6％和4.7％，集热器光热效率和光伏效率的误差分别为3.1％和6.7％。理论模拟结果与实验结果基本吻合，模型可以准确预测集热器光伏光热性能。
　　(4)模拟研究了不同运行参数对于集热器光伏光热性能的影响，对多功能PV/T集热器应用于合肥、北京、西宁三个不同气候地区的全年性能进行了预测，得到集热器全年光热效率分别为38.5％、38.9％和40.1％。分析了与坡屋顶建筑相结合情况下集热器运行于冬季采暖模式和夏季制热水模式的性能和对建筑负荷的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 能源结构

1．2 太阳能利用技术

1．2．1 光伏发电

1．2．2 光热利用

1．2．3 光伏光热综合利用

1．3 太阳能建筑一体化

1．3．1 光伏建筑一体化

1．3．2 光热建筑一体化

1．3．3 太阳能光伏／光热建筑一体化

1．4 本文的主要研究内容

第2章 多功能太阳能PV／T集热器及其测试系统

2．1 多功能PV／T集热器及测试平台

2．1．1 PV／T集热器结构

2．1．2 光伏／空气集热模式实验平台

2．1．3 光伏／水集热模式实验平台

2．1．4 实验测试设备

2．2 多功能太阳能PV／T集热器光伏光热综合性能评价方法

2．3 实验误差分析

2．4 本章小结

第3章 多功能太阳能PV／T集热器的实验研究

3．1 光伏／空气集热模式性能分析

3．2 光伏／水集热模式性能分析

3．3 多功能太阳能PV／T集热器的性能优势分析

3．4 本章小结

第4章多 功能太阳能PV／T集热器的理论模型和验证

4．1 理论模型的建立

4．1．1 太阳光入射角计算模型

4．1．2 光伏／空气集热模式的理论模型

4．1．3 光伏／水集热模式的理论模型

4．2 理论模型的求解

4．2．1 光伏／空气集热模式能量平衡方程的求解

4．2．2 光伏／水集热模式能量平衡方程的求解

4．3 模型验证

4．3．1 误差分析模型

4．3．2 光伏／空气集热模式下理论模型的验证

4．3．3 光伏／水集热模式下理论模型的验证

4．4 本章小结

第5章 多功能太阳能PV／T集热器的理论研究

5．1 集热器在不同运行条件下的性能分析

5．2 集热器在不同地区运行的全年性能分析

5．3 集热器与建筑结合应用分析

5．3．1 冬季采暖模式分析

5．3．2 夏季集热水模式分析

5．4 本章小结

第6章 全文工作总结及展望

6．1 本文主要工作

6．2 后续工作展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢