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太阳能碟式聚光发电供热综合利用系统研究

作　者: 王云峰
导　师: 季杰
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 热能工程
关键词: 太阳能碟式聚光光伏光热热综合利用 GaAs电池模拟计算实验测试
分类号: TK515
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文基于太阳能光伏光热综合利用技术,从经济性、实用性和产业发展角度出发,解决现有碟式聚光PV/T (photovoltaic/thermal)系统中存在的问题,取得了整套系统独立研发技术,提出了新型的高倍聚光GaAs发电供热系统。采用液体冷媒强化冷却高能流密度下GaAs电池的同时,收集热能加以利用。针对目前碟式聚光技术存在聚光器造价高,制作工艺复杂,光强分布不均匀的问题,在碟式系统中采用“化整为零”的思想,尝试利用平面玻璃分段式逼近抛物面的聚光方式来替代连续曲面的聚光方式,具有加工制作难度小、聚光光强分布均匀性好等优点,可极大地提高电池组件的光伏输出效率和运行安全性。针对400倍以上太阳聚光的高能流密度(>40W/cm2),本文研制新型复合式接收器,通过特殊设计的微通道强化传热、喷射流动等方式来增强冷媒对光伏电池的冷却效果,冷却光伏电池的同时将热能加以收集利用,提高系统的太阳能综合利用率。结合高倍碟式聚光GaAs发电集热系统的结构特点及运行机理,采用理论模拟和实验研究相结合的方法,对高倍聚光条件下的多碟共焦和多平面镜线性组合两种聚光构件的反射、聚焦以及光强分布的均匀性等光学特性分别进行研究。对多碟共焦聚光构件,研究了圆形、矩形、六边形和八边形四种形状子碟的几何聚光特性,给出了各形状子碟的面积效率因子,研究结果表明矩形开口面较适合做为子碟聚光构件。运用TracePro分析了9个矩形子碟构成的聚光器的聚光特性,并试制出样机。对多平面镜组合聚光器构件,从镜阵中镜面数量、焦距、平面镜尺寸等相互耦合的方面研究了其聚光特性,结合余弦效率概念,分析了焦平面处的能流分布情况,给出了多平面镜线性组合的最优设计参数,并成功试制出样机。对高倍聚光后处于高热流密度条件下的复合接收器的传热机理及流场特性进行理论模拟和实验研究。运用Fluent软件对喷射/微通道复合式接收器建立仿真模型,并与实验进行对比,模拟计算了接收器换热性能,最后通过在样机上实验测试确定其工作性能。建立直流微通道式换热器热阻模型,通过理论计算优化了接收器设计参数,并根据理论计算得出的参数制作了该种冷却接收器,在聚光器样机上测试其性能。搭建了碟式聚光PV/T系统试验测试平台,对高倍聚光后PV/T系统热、电性能进行了初步实验研究,初步实验获取的系统平均瞬时热效率为35.9%,最高瞬时效率为47.8%；系统电池瞬时发电最大效率为16.99%,平均效率15.67%；最大输出功率为50.48W,平均输出功率46.67W,填充因子最大为71.17%。建立了PV/T系统的理论计算模型,对聚光后系统的热性能以及处于高光强条件下的GaAs电池输出特性进行研究。研究了影响系统热效率的几个关键因素,为进一步优化系统热性能提供了参考。利用Matlab/Simulink软件平台建立电池阵列模型,对不同光照强度和不同工作温度下的聚光GaAs电池阵列输出特性进行研究,预测了系统在正常情况下发电功率能达到1.5kW。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-21
  1.1 太阳能利用方式  12-13
  1.2 太阳能聚光技术  13-18
    1.2.1 太阳能聚光集热技术  14-16
    1.2.2 太阳能聚光光伏技术  16-18
  1.3 太阳能聚光热、电联供综合利用  18-20
  1.4 本文的主要工作  20-21
第2章碟式聚光太阳能聚光构件的研究  21-48
  2.1 太阳能多碟共焦型聚光器(Ⅰ型)  21-34
    2.1.1 太阳能多碟共焦聚光器理论研究  22-29
    2.1.2 太阳能多碟共焦聚光器试制与测试  29-34
  2.2 太阳能多平面镜线性组合聚光器(Ⅱ型)  34-46
    2.2.1 太阳能多平面镜线性组合聚光器理论研究  35-43
    2.2.2 太阳能多平面镜线性组合聚光器试制与测试  43-46
  2.3 本章小结  46-48
第3章聚光光伏冷却接收器研究  48-68
  3.1 微通道喷射式光伏冷却接收器(Ⅰ型)  48-57
    3.1.1 微通道喷射式光伏冷却接收器理论研究  50-56
    3.1.2 微通道喷射式光伏冷却接收器实验研究  56-57
  3.2 微通道直流式光伏冷却接收器(Ⅱ型)  57-66
    3.2.1 微通道直流式光伏冷却接收器设计优化  58-65
    3.2.2 微通道直流式光伏冷却接收器实验研究  65-66
  3.3 本章小结  66-68
第4章太阳能碟式聚光PV/T系统  68-88
  4.1 太阳能碟式聚光PV/T系统  68-77
    4.1.1 聚光太阳电池  68-71
    4.1.2 太阳能碟式聚光器  71-72
    4.1.3 太阳能聚光光伏冷却装置  72-74
    4.1.4 太阳能巡日跟踪装置  74-77
  4.2 聚光PV/T系统的测试平台  77-82
    4.2.1 聚光PV/T系统的热性能测试参数,方法和测试设备  77-81
    4.2.2 聚光PV/T系统测试实验条件  81-82
  4.3 聚光PV/T系统的实验结果分析  82-86
    4.3.1 聚光PV/T系统产热测试结果及性能分析  82-84
    4.3.2 聚光PV/T系统发电测试结果及性能分析  84-86
  4.4 本章小结  86-88
第5章太阳能碟式聚光PV/T系统的理论研究  88-108
  5.1 聚光PV/T系统的热性能理论分析  88-100
    5.1.1 聚光PV/T的传热模型  88-96
    5.1.2 聚光PV/T系统的产热性能分析  96-100
  5.2 聚光PV/T系统的电性能理论分析  100-106
    5.2.1 聚光PV/T系统的太阳电池模型  100-102
    5.2.2 聚光PV/T系统的电输出性能分析  102-106
  5.3 本章小结  106-108
第6章全文工作总结及展望  108-110
  6.1 全文工作总结  108-109
  6.2 全文工作展望  109-110
参考文献  110-116
附录术语表  116-120
附录图表清单  120-124
致谢  124-125
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  125

太阳能碟式聚光发电供热综合利用系统研究

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