聚光光伏系統(tǒng)中太陽能電池的冷卻問題研究

【摘要】：能源和環(huán)境問題是當(dāng)今世界面臨重要難題。太陽能已成為實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重點。太陽能聚光技術(shù)能將太陽光匯聚到面積很小的高性能聚光太陽能電池上，提高太陽光輻照能量密度，提高效率；同時，廉價的聚光系統(tǒng)和小面積的太陽能電池可以大幅度地降低系統(tǒng)的成本及稀缺昂貴的太陽能電池材料。高聚光的太陽能電池散熱問題是影響光伏電池性能和系統(tǒng)可靠性的重要因素。本文針對高倍數(shù)聚光光伏系統(tǒng)中高熱流密度光伏電池的散熱問題，確保光伏電池工作在正常的溫度范圍內(nèi)的安全性等難題，設(shè)計了特殊的熱管散熱器并進(jìn)行了相關(guān)的實驗研究。主要開展的研究工作如下： 1.本文基于太陽能聚光系統(tǒng)和太陽能聚光電池特性，分析世界典型城市太陽能聚光系統(tǒng)的能量傳遞特性。本文對上海、拉薩、西安、柏林、悉尼和紐約6個典型城市的太陽高度角、太陽方位角、太陽直射輻射強度等太陽參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的理論計算，并根據(jù)相關(guān)單晶硅和三結(jié)砷化鎵光伏組件的性能參數(shù)，對上述6個城市的日發(fā)電量進(jìn)行了理論計算，計算結(jié)果表明，聚光組件的日發(fā)電量是單晶硅組件的1.85倍左右，而拉薩、悉尼和西安是比較適合光伏系統(tǒng)發(fā)展的理想地點。計算了溫度對聚光光伏組件和單晶硅光伏組件性能的影響，結(jié)果表明，聚光光伏組件的溫度系數(shù)要明顯低于單晶硅光伏組件，因此適合于高倍聚光條件下。 2.本文設(shè)計了與聚光太陽能電池匹配的熱管。熱管蒸發(fā)端與聚光太陽能電池接觸，其傳熱性能和熱管蒸發(fā)端溫度分布對電池性能和熱管效率影響顯著。建立了熱管散熱器蒸發(fā)端數(shù)值模擬計算模型，設(shè)置了邊界條件、控制方程和物性參數(shù)。通過數(shù)值計算，模擬分析得到太陽能聚光比、熱管傾斜角度和充液量等參數(shù)對蒸發(fā)端底面溫度分布和蒸發(fā)端內(nèi)部蒸發(fā)沸騰傳熱特性。對熱管散熱端的矩形翅片的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了翅片間距和翅片長度對翅片換熱的影響。數(shù)值模擬的結(jié)果為熱管散熱器的設(shè)計和安全運行提供了指導(dǎo)。 3.搭建了高倍數(shù)碟式聚光光伏系統(tǒng)，對設(shè)計的熱管散熱器進(jìn)行了試驗研究。得到不同充液率、不同聚光比時，光伏電池和蒸發(fā)端底面溫度的實驗結(jié)果，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，其中光伏電池的溫度相差在5～9K之間，蒸發(fā)端底面的溫度相差8～12K之間；根據(jù)各種工況下對聚光光伏系統(tǒng)中熱管的實驗研究結(jié)果，得到熱管散熱器蒸發(fā)端平均蒸發(fā)沸騰換熱系數(shù)的參數(shù)關(guān)聯(lián)式。 4.實驗研究了聚光比為75X、100X、125X、150X、175X、200X時聚光光伏系統(tǒng)的特性，當(dāng)聚光比為200X，平均太陽直射輻照強度為600W/m2、環(huán)境平均溫度為28.9℃時，得到聚光光伏電池的平均開路電壓是2.72V、平均短路電流是0.65A、平均功率密度是2.07W/cm2、平均轉(zhuǎn)換效率是26%、平均電池溫度是63.51℃。實驗得到光伏電池的功率、轉(zhuǎn)換效率和填充因子隨著太陽能電池溫度增加而降低特性。 5.基于所搭建的碟式高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光伏電池的單二極管模型等效電路，建立了三結(jié)聚光GaInP/GalnAs/Ge疊層光伏電池電學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型，深入分析了在聚光比分別為120X、130X、140X和150X下電池的電學(xué)特性，并與實驗測量值進(jìn)行了對比。高倍聚光條件下，三結(jié)砷化鎵光伏電池電學(xué)特性的理論計算值與實際測量結(jié)果存在著一定的誤差，聚光比相同時，開路電壓的誤差為2.08%，電池效率的誤差為12.4%；電池溫度相同時，開路電壓的誤差為2.04%，電池效率的誤差為8.4%。 本課題得到教育部博士點基金項目“聚光光伏系統(tǒng)中太陽能電池的冷卻問題研究（編號200802520006）”和上海市研究生創(chuàng)新基金項目(JWCXSL1021)支持。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 聚光光伏 三結(jié)砷化鎵 熱管 溫度特性
【學(xué)位授予單位】：上海理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目錄9-13
• 第一章 緒論13-32
• 1.1 研究背景13-17
• 1.2 聚光光伏系統(tǒng)(CPV)17-26
• 1.2.1 聚光系統(tǒng)18-20
• 1.2.2 控制跟蹤系統(tǒng)20-21
• 1.2.3 光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)21-26
• 1.3 聚光型太陽能電池的幾種冷卻技術(shù)及研究現(xiàn)狀26-30
• 1.3.1 常用的冷卻方法26-28
• 1.3.2 研究中的光伏電池散熱方式28-30
• 1.4 存在的問題及課題的提出30
• 1.5 研究思路及主要研究內(nèi)容30-32
• 第二章 聚光光伏系統(tǒng)能量流動分析32-63
• 2.1 聚光系統(tǒng)的能量流動分析32-54
• 2.1.1 聚光系統(tǒng)得到能量的計算32-52
• 2.1.2 溫度對光伏組件性能的影響52-54
• 2.2 聚光光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程損失分析54-58
• 2.2.1 太陽光能量的損失54-55
• 2.2.2 聚光器的損失55
• 3.2.3 光伏電池的損失55-56
• 2.2.4 其他損失56-58
• 2.3 光伏電池的傳熱過程分析58-60
• 2.4 散熱器性能對聚光光伏電池性能的影響60-61
• 2.5 本章小結(jié)61-63
• 第三章 聚光系統(tǒng)中熱管散熱器的設(shè)計及數(shù)值模型建立63-89
• 3.1 應(yīng)用于聚光光伏系統(tǒng)中熱管散熱器的設(shè)計63-70
• 3.1.1 物理參數(shù)[74]64-65
• 3.1.2 熱管散熱器的設(shè)計65
• 3.1.3 校核計算65-70
• 3.2 數(shù)值計算軟件70-74
• 3.2.1 數(shù)值計算方法70-72
• 3.2.2 FLUENT 簡介72-74
• 3.3 熱管散熱器的工作原理74-82
• 3.3.1 熱管原理74-78
• 3.3.2 適用于聚光光伏系統(tǒng)中熱管散熱器的結(jié)構(gòu)及工作原理78-79
• 3.3.3 熱管工質(zhì)液體的選擇79-82
• 3.4 熱管散熱器蒸發(fā)端的數(shù)學(xué)物理模型82-86
• 3.4.1 熱管散熱器蒸發(fā)端的物理模型82
• 3.4.2 數(shù)值計算方法的確定82-84
• 3.4.3 數(shù)學(xué)模型84-86
• 3.5 熱管散熱器冷凝段翅片的數(shù)學(xué)物理模型86-88
• 3.5.1 熱管散熱器冷凝段翅片的物理模型86-87
• 3.5.2 數(shù)值計算方法的確定87-88
• 3.5.3 數(shù)學(xué)模型88
• 3.6 本章小結(jié)88-89
• 第四章 熱管散熱器數(shù)值計算與結(jié)果分析89-115
• 4.1 蒸發(fā)端的數(shù)值計算89-108
• 4.1.1 數(shù)值計算方法89-90
• 4.1.2 物性90-91
• 4.1.3 網(wǎng)格的劃分91-92
• 4.1.4 FLUENT 設(shè)置92-97
• 4.1.5 數(shù)值計算結(jié)果與分析97-108
• 4.2 熱管翅片的數(shù)值計算108-112
• 4.2.1 數(shù)值計算方法108
• 4.2.2 物性108-109
• 4.2.3 網(wǎng)格的劃分109
• 4.2.4 邊界條件和流體狀態(tài)的確立109-110
• 4.2.5 數(shù)值計算結(jié)果及分析110-112
• 4.3 本章小結(jié)112-115
• 第五章 熱管散熱器蒸發(fā)端的實驗研究115-131
• 5.1 聚光光伏系統(tǒng)的組成115-119
• 5.1.1 聚光器115-116
• 5.1.2 三結(jié)砷化鎵聚光光伏電池116-117
• 5.1.3 熱管散熱器117
• 5.1.4 跟蹤控制系統(tǒng)117-118
• 5.1.5 控制箱118-119
• 5.2 實驗數(shù)據(jù)參數(shù)采集系統(tǒng)119-122
• 5.2.1 溫度測量裝置119-120
• 5.2.2 壓力測量裝置120
• 5.2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)120-122
• 5.3 熱管散熱器蒸發(fā)端的實驗122-129
• 5.3.1 測試系統(tǒng)和測試方法122-123
• 5.3.2 實驗結(jié)果及討論123-126
• 5.3.3 實驗結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果的比較及誤差分析126-128
• 5.3.4 蒸發(fā)端平均蒸發(fā)沸騰換熱系數(shù)128-129
• 5.4 本章小結(jié)129-131
• 第六章 高倍數(shù)聚光光伏電池特性的實驗研究131-155
• 6.1 聚光型光伏電池電學(xué)特性的實驗131-136
• 6.1.1 光伏電池發(fā)電原理131-132
• 6.1.2 三結(jié)砷化鎵光伏電池132-133
• 6.1.3 光伏電池的基本性能參數(shù)133-134
• 6.1.4 三結(jié)砷化鎵光伏電池電學(xué)參數(shù)的定義134-135
• 6.1.5 測量系統(tǒng)與測試方法135-136
• 6.2 三結(jié)砷化鎵光伏電池的實驗研究136-143
• 6.2.1 熱流密度對三結(jié)砷化鎵光伏電池特性的影響136-139
• 6.2.2 電池溫度對三結(jié)砷化鎵光伏電池特性的影響139-143
• 6.3 三結(jié)砷化鎵光伏電池電學(xué)參數(shù)的溫度特性143-147
• 6.3.1 開路電壓的溫度特性144
• 6.3.2 短路電流的溫度特性144
• 6.3.3 峰值功率的溫度特性144-146
• 6.3.4 填充因子的溫度特性146
• 6.3.5 電池效率的溫度特性146-147
• 6.4 三結(jié)砷化鎵光伏電池 I-V 特性147-149
• 6.5 三結(jié)砷化鎵光伏電池電學(xué)特性的理論和實驗分析149-153
• 6.5.1 三結(jié)砷化鎵光伏電池的計算模型149-150
• 6.5.2 三結(jié)砷化鎵光伏電池電學(xué)特性理論和實驗結(jié)果對比分析150-153
• 6.6 本章小結(jié)153-155
• 第七章 結(jié)論與展望155-160
• 7.1 全文總結(jié)155-158
• 7.2 本文創(chuàng)新點158-159
• 7.3 對今后工作的展望159-160
• 附錄一160-162
• 主要符號表162-164
• 參考文獻(xiàn)164-171
• 在讀期間公開發(fā)表的論文和承擔(dān)科研項目及取得成果171-173
• 致謝173

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