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熱電聯產是提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率和加速其實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)電技術展開了理論和實驗研究與分析，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、電特性數學模型，采用數值分析和迭代的方法對電池的輸出特性進行了計算，研究了傳

2、熱過程中的熱阻及電池內阻對電池的溫度、光電轉換效率及輸出功率的影響。結果表明，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最大值。電池內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。當冷卻條件不好，熱阻為0.1K.m2/W時，聚光率不能超過4，當冷卻條件改善，熱阻為0.01K.m2/W時，聚光率可以增加到20倍。聚光器的光學性能是影響聚光效果的關鍵因素，文中對反射式

3、低倍聚光器的光學性能進行了分析和計算。分別建立了不同聚光比的聚光器在不同截短比時光伏系統(tǒng)物理模型，采用光線追跡技術和蒙特一卡羅(Monte Carlo)法分別對CPC(compound parabolic concentrator)和V型槽聚光器的光學性能進行了理論計算。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。結果表明：相同聚光比的情況下，CPC的光學性能要比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是降低的。因此在低倍聚光條件下，CPC由于具有良好的光學性能和成本優(yōu)勢，是一種更好的選擇。
　　 建立了不同結構參數的復合拋物面聚光太陽能光伏系統(tǒng)內空氣流動及冷卻傳熱數學模型。采用計算流體力學方法分別對不同入射咒強度和入口空氣流速下的冷卻傳熱和流動過程進行了模擬，計算了系統(tǒng)內的空氣速度和溫度分布。結果表明各表面的溫度隨光照強度的增加而增大，在強制對流狀態(tài)下，在相同的光照強

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，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。在相同空氣流動速度和光照強度下，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，更適合應用于聚光系統(tǒng)光伏光熱一體化結構。
　　 建立了以空氣作為冷卻介質的復合拋物面低倍聚光太陽能PV/T-體化系統(tǒng)熱、電性能

6、和火用效率計算模型。研究結果表明：以空氣作為聚光太陽能PV/T吞統(tǒng)的冷卻介質時，以翅片作為強化換熱手段可使熱、電效率增加近兩個百分點。系統(tǒng)本身結構尺寸、操作環(huán)境和系統(tǒng)的運行參數對系統(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度增加而增大。增加空氣質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)高效安全的運行。在低溫環(huán)境下運行，對系統(tǒng)熱電效率是有利的，但要保證足夠的光照強度，并對系統(tǒng)采取良好的保溫措施。
　　 設計并搭建了低倍CPC聚光太陽能PV/T單通道空氣系統(tǒng)實驗臺，對不同結構的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了實驗研究和性能對比測試。研究發(fā)現，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，當平均風速為0.5m/s時，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)實驗研究發(fā)現，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，當光照強度為650W/m2時，太陽能PV/T系統(tǒng)電池板最高溫度超過75℃。當背部通道空氣流速為0.55m/s時，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到90％，而平均熱效率超過50％。對低倍聚光PV/T空氣系統(tǒng)實驗研究發(fā)現，當背部

9、通道空氣的流動是自然對流時，光贐強度為650W/m2時，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℃。當聚光條件下系統(tǒng)入口風速為1.1m/s時，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機強制冷卻翅片板的溫度低近20℃。下部通道內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，當光照強度