不均勻溫度和輻照分布對太陽能PV-T系統(tǒng)中光電性能影響的研究.pdf

1、能源儲備和環(huán)境污染是當今世界共同面對的兩個嚴峻的社會問題。太陽能作為一種環(huán)保型新能源，越來越受到社會的關注?，F(xiàn)階段太陽能利用的多種方式中，真正具有實用意義的主要是光熱利用和光電利用。光熱利用效率較高，一般在55％左右，但獲得的是低品位的熱能;光電利用可以獲得高品位電能，但由于絕大部分長波輻照無法利用，導致太陽輻照的總利用效率較低。太陽能光電光熱綜合利用（PV/T）技術可以同時進行光電轉換和光熱轉換，顯著提高了太陽能的光電光熱綜合利用率，

2、其理論綜合效率可達60-80％，是目前太陽能應用研究中的重要方向。
　　由于PV/T系統(tǒng)應用過程中同時包含光熱轉換和光電轉換，因此光熱轉換本身以及其對系統(tǒng)結構設計的要求會影響到光電轉換過程，具體表現(xiàn)在系統(tǒng)的溫度分布和輻照分布兩方面。一方面，由于PV/T系統(tǒng)中光熱利用對換熱工質的溫度要求，使得進出口的工質往往具有明顯的溫度差，鑒于集換熱結構與光電部件之間的良好導熱性以及外層的保溫隔熱措施，這一工質的溫度變化也會影響到光電部件，導致電

3、池的溫度分布沿工質的流動方向而產生變化。另一方面，PV/T系統(tǒng)的結構特性會導致邊框陰影等輻照分布不均勻的現(xiàn)象。由于溫度對太陽能電池的短路電流和開路電壓有直接影響，電池的光生電流與輻照強度近似呈線性變化。因此，不均勻的溫度分布和輻照將導致光電組件內部的電壓和電流分布差異，從而導致電池失配，降低系統(tǒng)的光電轉換效率。
　　目前對PV/T系統(tǒng)的研究中，較少關注到溫度和輻照的非均勻分布，而二者對系統(tǒng)輸出性能帶來的影響也缺乏探討。過去對PV/

4、T系統(tǒng)的建模大多關注的是光熱性能，對光電性能的模擬一般是直接套用光伏系統(tǒng)的模型，但PV/T系統(tǒng)中的光電轉換過程會受到集換熱部分的影響，直接利用光伏系統(tǒng)的模型來模擬PV/T系統(tǒng)的光電性能是否準確，有待進一步的討論。
　　基于以上分析，本文將針對PV/T系統(tǒng)中溫度分布和輻照分布不均勻的特性，建立系統(tǒng)的分布式光電性能模擬模型，對系統(tǒng)的光電性能進行實驗測試分析和理論模擬預測。研究結果可以對PV/T系統(tǒng)中的結構設計、電路串并聯(lián)、太陽能電池分

5、布、PV/T模塊封裝工藝等關鍵性問題提供優(yōu)化建議，為PV/T的性能分析和優(yōu)化設計提供理論基礎和數(shù)值模型。具體的研究內容包含以下幾個方面:
　　(1)通過實驗測試和數(shù)值模擬相結合的方法，對傳統(tǒng)太陽能電池模型進行拓展和修正，使其可以應用于非均勻輻照下的電池性能模擬，且其中所涉及到的計算參數(shù)很容易從電池供應商處獲得。在此基礎上，以平板PV/T系統(tǒng)為主，針對PV/T系統(tǒng)中溫度分布和輻照分布不均勻的特性，建立系統(tǒng)的分布式光電性能分析模型，在

6、該模型中，每塊電池都可以作為一個單獨的節(jié)點進行參數(shù)賦值。另外，設計和搭建實驗平臺，對該模型進行實驗驗證，使得該模型可以應用于非均勻輻照下的PV/T系統(tǒng)的模擬。研究結果可以為PV/T的光電性能分析和優(yōu)化設計提供理論基礎和數(shù)值模型。
　　(2)針對PV/T系統(tǒng)中的溫度分布特點，即平均溫度隨時間變化范圍大和溫度空間分布差異比較明顯，分析典型PV/T系統(tǒng)中由于集熱器結構特性導致的溫度分布規(guī)律;建立串聯(lián)電路和并聯(lián)電路兩種光伏連接電路的數(shù)學模

7、型，分別在最大功率跟蹤模式和定壓運行模式下，對單晶硅電池、多晶硅電池、硅薄膜電池、三結非晶硅電池等四種太陽能電池組成的PV/T系統(tǒng)中的多項光電性能參數(shù)受溫度因素的影響進行分析。
　　(3)針對平板PV/T系統(tǒng)中常見的邊框陰影遮擋現(xiàn)象進行研究。建立邊框陰影的分布模型，分析平板PV/T系統(tǒng)中的陰影分布規(guī)律;利用非均勻輻照下的PV/T系統(tǒng)分布式光電性能分析模型，對邊框陰影遮擋下的系統(tǒng)瞬時光電性能進行模擬;在此基礎上，就邊框陰影對系統(tǒng)累積

8、光電性能的影響進行分析，同時并比較串聯(lián)電路和并聯(lián)電路二者之間的性能差異。
　　(4)針對BIPV/T系統(tǒng)中邊框陰影的分布特點，建立系統(tǒng)的邊框陰影分布模型，對邊框陰影在不同時段不同季節(jié)的分布情況進行詳細介紹，討論其隨太陽高度角、方位角、系統(tǒng)結構及朝向之間的關系;同時，利用PV/T系統(tǒng)的分布式光電性能分析模型，研究邊框陰影對系統(tǒng)瞬時光電效率的影響;在此基礎上，根據合肥地區(qū)的典型氣象年數(shù)據，對BIPV/T系統(tǒng)的年平均輸出性能進行估算，評