聚光型太阳能电热联用系统性能的数值模拟

论文摘要

太阳能电热联用(PV/T)系统,把光伏组件与太阳能集热器组合在一起,同时提供电能和热能,提高了太阳能的总利用效率。与分离的光伏系统和集热系统相比,太阳能电热联用装置可以共用一些组件、降低系统成本、减少安装面积、而且仅有一种组件在外观上是可见的,有利于建筑美观,更加有效的利用了太阳能。迄今为止,对PV/T联用系统的研究集中在集热器上,主要是管板式和流道式集热器,而流道式集热器又以单流程直通道为主,对于多流程流道式集热器以及自然循环水系统的研究开展的较少。本文首先建立多流程蛇形流道式集热器的三维稳态模型,模拟聚光比、操作参数以及外部条件变化对集热器性能的影响。得出以下结论:①集热器流体的出口温度随冷却流体质量通量的增加而减小,热电效率随质量通量的增加而增大,电池板表面的温度梯度随质量通量的增加而减小,流动阻力随质量通量的增加而增加。对于本文蛇形流道式集热器来说,冷却流体质量通量M=40kg/m2·s为最优值,它既能保证集热器的热效率和电效率在较高的范围,又能使流动阻力损失保持在较低水平;②采用聚光方法会使电效率下降,热效率上升,能量利用总效率略有降低,但聚光方法在增加少许成本的基础上能大幅度提高系统总产出;③环境风速的增加会显著降低集热器的热效率,对其电效率影响甚微;加盖玻璃盖板能提高集热器出口水温和热效率,对电效率的影响很小。然后,建立了电热联用自然循环水系统二维动态模型,模拟了晴天和多云两种天气条件下,系统性能随太阳辐射强度的变化情况。结果发现:①输出电功随太阳日辐射量的变化而变化,辐射增强,输出电功增加,辐射减弱,输出电功减少。系统水温则随着日太阳辐射量的增加而升高。系统的热电效率都随日太阳辐射量的增加而下降;②水温和输出电功的年变化趋势与太阳辐射强度的变化趋势相同;电效率的年变化趋势与辐射强度的年变化趋势相反,年均值在10%以上;热效率受辐射强度和辐射分布情况的共同影响,年均值在40%以上;③晴天条件下,系统日电产出大于464.4Wh/m2。一年中有6个月,水箱的水温在50℃以上,基本达到生活用热水温度;④多云情况下,太阳辐射瞬时变化较大,系统的输出电功也随之波动,但水温和热电效率的瞬时变化不明显。最后,根据PV/T集热器和自然循环水系统的模拟结果,提出户用型PV/T联用系统设计方法,结合用户热电需求,设计一套PV/T联用系统,并对其性能进行了评价。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能发电技术
• 1.2.1 太阳能电池材料
• 1.2.2 太阳能光伏系统分类
• 1.3 太阳能光电转换原理
• 1.3.1 半导体材料性质
• 1.3.2 p-n 结的形成和热平衡状态
• 1.3.3 p-n 结的光生伏特效应
• 1.3.4 太阳电池的光伏特性
• 1.3.5 温度对太阳电池转化效率的影响
• 1.4 太阳能电热联用系统的研究现状
• 1.4.1 PV/T 集热器数值研究
• 1.4.2 PV/T 集热器实验研究
• 1.4.3 太阳能聚光器
• 1.5 本课题的研究内容及目标
• 2 电热联用集热器性能分析
• 2.1 概述
• 2.2 集热器的结构
• 2.3 物理模型
• 2.4 控制方程
• 2.5 数值计算方法
• 2.5.1 网格划分和无关性检验
• 2.5.2 自定义光电转换过程
• 2.5.3 求解控制
• 2.5.4 收敛判定
• 2.6 结果分析
• 2.6.1 质量通量
• 2.6.2 蛇形通道内的流动和阻力性能
• 2.6.3 聚光比
• 2.6.4 环境风速
• 2.6.5 玻璃盖板
• 2.7 本章小结
• 3 自然循环水系统动态性能分析
• 3.1 概述
• 3.2 系统的结构及原理
• 3.3 数学模型
• 3.4 数值计算方法
• 3.4.1 网格划分与无关性检验
• 3.4.2 自定义函数
• 3.4.3 求解控制
• 3.5 晴天情况下系统的性能
• 3.5.1 日太阳辐射变化对系统性能的影响
• 3.5.2 年太阳辐射变化对系统性能的影响
• 3.5.3 系统的温度和速度分布
• 3.6 多云天气情况下系统的性能
• 3.6.1 日太阳辐射对系统性能的影响
• 3.6.2 年太阳辐射对系统性能的影响
• 3.7 本章小结
• 4 户用型电热联用系统设计
• 4.1 概述
• 4.2 系统设计方法
• 4.2.1 系统设计原则
• 4.2.2 系统设计步骤及要确定的参数
• 4.3 设计实例
• 4.3.1 确定PV/T 集热器倾角
• 4.3.2 计算PV/T 集热器面积
• 4.3.3 蓄电池容量的选择
• 4.3.4 确定水箱容积
• 4.4 系统性能评价
• 5 结论及后续工作建议
• 5.1 结论
• 5.2 后续工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 作者在攻读硕士学位期间发表论文情况
• 附录B 自定义函数1
• 附录C 自定义函数2