低倍聚光太陽能光伏光熱一體化系統(tǒng)的研究.pdf

1、聚光太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以減少太陽能光伏板的使用面積，降低其成本，而聚光太陽能PV/T熱電聯(lián)產(chǎn)是提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率和加速其實(shí)用化的一條重要途徑。本文圍繞低倍聚光太陽能光伏光熱發(fā)電技術(shù)展開了理論和實(shí)驗(yàn)研究與分析，主要研究工作和成果如下：
　　 聚光條件下太陽能電池的冷卻方式是影響電池輸出性能的一個(gè)重要因素之一。本文首先建立了聚光條件下硅太陽能電池的熱、電特性數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值分析和迭代的方法對電池的輸出特性進(jìn)行了計(jì)算，研究了傳

2、熱過程中的熱阻及電池內(nèi)阻對電池的溫度、光電轉(zhuǎn)換效率及輸出功率的影響。結(jié)果表明，電池溫度隨聚光率的增加而升高，電池效率和輸出功率隨聚光率的增加有一個(gè)最大值。電池內(nèi)阻越大電池的效率越低，輸出功率越小。佶熱過程的熱阻越小電池的溫度越低、效率越大、輸出功率越大。當(dāng)冷卻條件不好，熱阻為0.1K.m2/W時(shí)，聚光率不能超過4，當(dāng)冷卻條件改善，熱阻為0.01K.m2/W時(shí)，聚光率可以增加到20倍。聚光器的光學(xué)性能是影響聚光效果的關(guān)鍵因素，文中對反射式

3、低倍聚光器的光學(xué)性能進(jìn)行了分析和計(jì)算。分別建立了不同聚光比的聚光器在不同截短比時(shí)光伏系統(tǒng)物理模型，采用光線追跡技術(shù)和蒙特一卡羅(Monte Carlo)法分別對CPC(compound parabolic concentrator)和V型槽聚光器的光學(xué)性能進(jìn)行了理論計(jì)算。分析了光線的入射角、聚光器的截短比對聚光器聚光性能、吸收表面能流密度分布的影響。結(jié)果表明：相同聚光比的情況下，CPC的光學(xué)性能要比V型槽聚光器好，隨著聚光比的增加聚光器

4、的實(shí)際聚光性能有所降低，隨著入射角的增加吸收表面的平均光強(qiáng)是降低的。因此在低倍聚光條件下，CPC由于具有良好的光學(xué)性能和成本優(yōu)勢，是一種更好的選擇。
　　 建立了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的復(fù)合拋物面聚光太陽能光伏系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)及冷卻傳熱數(shù)學(xué)模型。采用計(jì)算流體力學(xué)方法分別對不同入射咒強(qiáng)度和入口空氣流速下的冷卻傳熱和流動(dòng)過程進(jìn)行了模擬，計(jì)算了系統(tǒng)內(nèi)的空氣速度和溫度分布。結(jié)果表明各表面的溫度隨光照強(qiáng)度的增加而增大，在強(qiáng)制對流狀態(tài)下，在相同的光照強(qiáng)

5、度下，電池的溫度隨空氣入口流速的增加而降低。研究發(fā)現(xiàn)，用鏡面不銹鋼板作為反射面可以起到翅片的作用，因此上部通道具有更好的對太陽能電池冷卻的效果。在相同空氣流動(dòng)速度和光照強(qiáng)度下，下部通道出口空氣溫度要比上部通道出口空氣溫度高。下部通道由于有聚光槽內(nèi)空氣的保溫作用，減少了系統(tǒng)的熱損失，對系統(tǒng)的密封性要求不高，更適合應(yīng)用于聚光系統(tǒng)光伏光熱一體化結(jié)構(gòu)。
　　 建立了以空氣作為冷卻介質(zhì)的復(fù)合拋物面低倍聚光太陽能PV/T-體化系統(tǒng)熱、電性能

6、和火用效率計(jì)算模型。研究結(jié)果表明：以空氣作為聚光太陽能PV/T吞統(tǒng)的冷卻介質(zhì)時(shí)，以翅片作為強(qiáng)化換熱手段可使熱、電效率增加近兩個(gè)百分點(diǎn)。系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)尺寸、操作環(huán)境和系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)對系統(tǒng)的熱、電效率有明顯影響。系統(tǒng)局部熱效率、總效率和火用效率沿系統(tǒng)長度方向上是增加的，但電效率有所降低，系統(tǒng)空氣通道越窄其效率越高，但其最小值受翅片高度和系統(tǒng)聚光率影響。電池溫度、系統(tǒng)獲得的熱能和可用能隨光照強(qiáng)度增加而增大。增加空氣質(zhì)量流速可以增加系統(tǒng)效率和降低

7、電池板溫度，可保證系統(tǒng)高效安全的運(yùn)行。在低溫環(huán)境下運(yùn)行，對系統(tǒng)熱電效率是有利的，但要保證足夠的光照強(qiáng)度，并對系統(tǒng)采取良好的保溫措施。
　　 設(shè)計(jì)并搭建了低倍CPC聚光太陽能PV/T單通道空氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對不同結(jié)構(gòu)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和性能對比測試。研究發(fā)現(xiàn)，在自然冷卻條件下，翅片可以降低太陽能電池板的溫度，改善太陽能光伏板的電性能。在相同的環(huán)境下，當(dāng)平均風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，帶有翅片的電池板溫度比沒有翅片的電池板的

8、溫度低約5℃左右，電池面積相同的翅片板的功率要比平板電池功率高6.7％。對平板太陽能PV/T空氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著空氣入口流速的增加系統(tǒng)中各表面的溫度是降低的，當(dāng)光照強(qiáng)度為650W/m2時(shí)，太陽能PV/T系統(tǒng)電池板最高溫度超過75℃。當(dāng)背部通道空氣流速為0.55m/s時(shí)，帶有翅片的電池板最高溫度接近60℃，空氣的最大溫升近14℃，系統(tǒng)的最大瞬間熱效率可達(dá)到90％，而平均熱效率超過50％。對低倍聚光PV/T空氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)背部

9、通道空氣的流動(dòng)是自然對流時(shí)，光贐強(qiáng)度為650W/m2時(shí)，系統(tǒng)中太陽能電池板的背部溫度為82℃，而處于環(huán)境中的平板光伏板的背部溫度只有55℃。當(dāng)聚光條件下系統(tǒng)入口風(fēng)速為1.1m/s時(shí)，帶有翅片的電池板的溫度和處于環(huán)境中的電池板的溫度比較接近，最高溫度接近60℃，比相同的聚光條件下沒有風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻翅片板的溫度低近20℃。下部通道內(nèi)空氣的最大溫度升為13℃，系統(tǒng)的平均熱效率在60％-70％之間。聚光條件太陽能電池的輸出電流明顯增加，當(dāng)光照強(qiáng)度