透射式太陽能CPV/T系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能研究

【摘要】：化石能源緊缺日益成為制約人類社會(huì)發(fā)展的瓶頸,改變能源結(jié)構(gòu)勢在必行。而太陽能是公認(rèn)的清潔、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新能源,因此太陽能的利用已得到了極大關(guān)注。本文在總結(jié)了現(xiàn)有太陽能透射式CPV/T系統(tǒng)研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并提出了兩種透射式太陽能CPV/T系統(tǒng):實(shí)體CPC聚光光伏/熱/采光系統(tǒng)和轉(zhuǎn)輪菲涅爾聚光光伏/熱系統(tǒng),對其性能進(jìn)行了深入的研究。通過聚光器光路分析提出了實(shí)體CPC聚光光伏/熱/采光系統(tǒng)中拋物線方程的推導(dǎo)方法以及臨界入射角的確定方法,利用光學(xué)仿真研究了光線入射角以及入射點(diǎn)的不同位置對實(shí)體CPC聚光性能的影響,利用試驗(yàn)測試了實(shí)體CPC在實(shí)際天氣下的透過率,結(jié)果表明:仿真中在正午太陽光入射角為0°時(shí),直射光的透過率為0;在入射角大于60°時(shí),透過率接近100%。在試驗(yàn)測試當(dāng)天,正午透過率最低值為32%,最大透過率為60%左右。實(shí)體CPC蓋板透過率的試驗(yàn)結(jié)果與光學(xué)仿真結(jié)果有較好的一致性。對實(shí)體CPC聚光光伏/熱/采光系統(tǒng)進(jìn)行了熱特性仿真研究和熱特性穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)研究,并在穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對實(shí)際天氣條件下透射式CPC聚光PV/T/D系統(tǒng)進(jìn)行性能測試,測試結(jié)果表明:在透過率較低的時(shí)段(10:00-14:00),電池發(fā)電效率和空氣得熱功率都較高,中午時(shí)刻最大發(fā)電效率約為7%,最大生熱功率約為55W。采用光線追蹤的方法對外表面為圓形截面、橢圓形截面和拋物線形截面的三種類型的菲涅爾透射聚光器進(jìn)行分析。分別確定了不同類型菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)時(shí)的最大厚度l和最小厚度d。利用光學(xué)仿真對比三種不同聚光器的聚光性能,分析其在聚光效率、跟蹤誤差敏感性以及入射光軸向傾斜對接收效率影響等方面的優(yōu)劣,綜合考慮多種因素確定采用圓形的菲涅爾聚光器。以砷化鎵高聚光電池做為接收器,在實(shí)際的典型天氣下對透射式菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究,測試了接收裝置的溫度分布、系統(tǒng)電能和熱能的輸出特性,以及熱電綜合利用率。結(jié)果表明:透射式菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)中午時(shí)段的發(fā)電效率最大可達(dá)18%,冷卻水得熱功率最大值約為150W,對比裝置總接收太陽輻照功率和冷卻水得熱功率可知中午時(shí)段得熱率在最大可達(dá)50%。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 透射 菲涅爾鏡 聚光 光伏/熱 采光
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK513.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-26
• 1.1 研究背景及意義11-13
• 1.2 太陽能光伏、光熱利用13-18
• 1.2.1 光熱利用13-15
• 1.2.2 光伏發(fā)電15-18
• 1.3 國內(nèi)外聚光光伏/熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢18-24
• 1.3.1 PV/T系統(tǒng)的研究進(jìn)展18-20
• 1.3.2 CPV/T系統(tǒng)的研究進(jìn)展20-24
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容24-26
• 第2章 透射式實(shí)體CPC聚光原理26-45
• 2.1 實(shí)體CPC聚光原理26-31
• 2.1.1 CPC的特征參數(shù)計(jì)算27-29
• 2.1.2 臨界入射角?0的確定29-31
• 2.2 實(shí)體CPC聚光光學(xué)仿真31-39
• 2.2.1 實(shí)體CPC三維建模32-33
• 2.2.2 單個(gè)實(shí)體CPC光路追蹤33-37
• 2.2.3 多個(gè)實(shí)體CPC光路追蹤37-39
• 2.3 實(shí)體CPC透過率試驗(yàn)測試39-44
• 2.3.1 實(shí)體CPC蓋板制作39-40
• 2.3.2 試驗(yàn)測試方法40-41
• 2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論41-44
• 2.4 本章小結(jié)44-45
• 第3章 透射式實(shí)體CPC聚光PV/T/D系統(tǒng)性能研究45-71
• 3.1 透射式實(shí)體CPC聚光PV/T/D系統(tǒng)設(shè)計(jì)45-46
• 3.2 PV/T/D系統(tǒng)熱特性仿真研究46-57
• 3.2.1 PV/T/D系統(tǒng)外部各表面溫度分布48-50
• 3.2.2 PV/T/D裝置中空氣溫度與速度分布50-51
• 3.2.3 不同風(fēng)速下裝置中空氣得熱效率51-52
• 3.2.4 不同進(jìn)氣孔位置仿真對比52-55
• 3.2.5 不同進(jìn)氣孔徑對裝置溫度分布的影響55-57
• 3.3 PV/T/D系統(tǒng)熱特性穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)研究57-64
• 3.3.1 試驗(yàn)裝置57-58
• 3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比58-59
• 3.3.3 不同底板通風(fēng)孔數(shù)的穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)59-61
• 3.3.4 不同加熱功率的穩(wěn)態(tài)溫度分布試驗(yàn)61-63
• 3.3.5 不同風(fēng)速對裝置熱特性的影響63-64
• 3.4 實(shí)際天氣下PV/T/D系統(tǒng)的性能測試64-69
• 3.4.1 實(shí)際天氣下的熱特性試驗(yàn)64-67
• 3.4.2 實(shí)際天氣下光/熱/電聯(lián)供試驗(yàn)67-69
• 3.5 本章小結(jié)69-71
• 第4章 透射式菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)設(shè)計(jì)71-120
• 4.1 透射式菲涅爾聚光器設(shè)計(jì)方法73-83
• 4.1.1 外表面為圓形截面73-77
• 4.1.2 橢圓形截面77-80
• 4.1.3 拋物線形截面80-83
• 4.2 透射式菲涅爾聚光器光學(xué)仿真83-109
• 4.2.1 跟蹤誤差對光斑影響86-97
• 4.2.2 光線軸向入射角對光斑影響97-109
• 4.3 基于透射式菲涅爾聚光器的PV/T系統(tǒng)構(gòu)建與優(yōu)化109-118
• 4.3.1 透射式菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)構(gòu)建109-111
• 4.3.2 側(cè)翼反射器設(shè)計(jì)111-112
• 4.3.3 PV/T接收裝置設(shè)計(jì)及熱特性數(shù)值分析112-118
• 4.4 本章小結(jié)118-120
• 第5章 透射式菲涅爾聚光PV/T系統(tǒng)試驗(yàn)研究120-135
• 5.1 試驗(yàn)系統(tǒng)建立120-124
• 5.1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理120-121
• 5.1.2 單塊砷化鎵高聚光電池性能測試121-122
• 5.1.3 試驗(yàn)用砷化鎵高聚光電池組性能測試122-124
• 5.2 PV/T系統(tǒng)性能測試124-133
• 5.2.1 熱/電輸出特性測試125-128
• 5.2.2 結(jié)合仿真結(jié)果分析熱/電輸出特性128-133
• 5.3 本章小節(jié)133-135
• 結(jié)論135-138
• 參考文獻(xiàn)138-144
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單144-146
• 致謝146-147
• 作者簡介147

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