太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)換能特性與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究

【摘要】：本文提出的槽式聚光太陽能熱電兩級系統(tǒng),其特點是在槽式聚光熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了金屬腔體加熱級,再次對用于回收太陽電池?zé)崮艿睦鋮s工質(zhì)進(jìn)行加熱,實現(xiàn)保持電能輸出效率的同時輸出高品質(zhì)的熱能,滿足生產(chǎn)生活用熱。通過理論分析與實驗研究相結(jié)合的研究方法,在太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的換能特性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文得出如下結(jié)論:(1)通過研究不同聚光光強(qiáng)、不同聚光倍數(shù)條件下,太陽電池工作溫度、光強(qiáng)對PV/T腔體電能輸出的影響特性,建立空間太陽電池的輸出特性:開路電壓、短路電流、填充因子、最大輸出功率以及電池效率與溫度、光強(qiáng)的耦合關(guān)聯(lián)性。結(jié)果表明:PV/T腔體在一定離焦平面位置,熱電聯(lián)供級鏡面開口寬度從57 cm增加到157 cm,短路電流、相對最大功率分別下降了27.16%、27.01%;開路電壓、電池效率分別增加了2.19%、83.45%。由此可見,一定范圍內(nèi),隨著槽式聚光鏡面開口寬度的降低,幾何聚光比降低,空間太陽電池的電效率將會提高。隨著槽式聚光鏡面開口寬度的增加,空間太陽電池的其他輸出特性參數(shù)都將提高。(2)太陽電池表面輻照能流不均勻造成太陽電池片上不同位置光生載流子產(chǎn)生、復(fù)合和輸運差異較大以致太陽電池性能、壽命下降。通過實驗研究PV/T腔體在不同離焦平面位置、不同熱電聯(lián)供級鏡面開口寬度時太陽電池陣列的輸出特性變化,揭示太陽電池片上不均勻能流對電池片光電轉(zhuǎn)換整體性能的影響,確定一定尺寸的空間太陽電池(PV/T腔體)放置的位置以及其最佳鏡面開口寬度。結(jié)果表明,PV/T腔體在離焦平面5cm、鏡面開口寬度為157cm處,最大輸出功率取得最大值22.3678W,此時電池效率為2.74%;PV/T腔體在離焦平面3cm、鏡面開口寬度為57cm處,電池效率取得最大值5.71%,此時電池最大輸出功率為17.916W。PV/T腔體在離焦平面1cm、鏡面開口寬度為157cm處取得熱效率最大值58.9%,此時冷卻工質(zhì)溫升為0.68℃,電池效率為2.2%。(3)太陽輻射能在兩級系統(tǒng)中的熱電聯(lián)供級和金屬腔體加熱級進(jìn)行光電熱的能量轉(zhuǎn)換,換能能流在熱電聯(lián)供級和金屬腔體加熱級之間的分配是影響系統(tǒng)光熱、光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。保證電能輸出效率的前提下,為提高系統(tǒng)所獲熱能品質(zhì),本文通過實驗研究增加不同長度的加熱級金屬腔體實現(xiàn)加熱級聚光面積的增加下系統(tǒng)的輸出性能。結(jié)果表明:1.8m2鏡面熱電聯(lián)供級與30m2鏡面加熱級系統(tǒng),在電池溫度為73℃時,金屬腔體加熱級輸出工質(zhì)溫度為62.38℃,溫度提高了12.06℃,瞬時熱效率為47.26%。在直輻射為992 w·m-2、1000 w·m-2時,金屬腔體加熱級溫升分別為12.87℃、13.32℃,較1.8m2鏡面熱電聯(lián)供級與15 m2鏡面加熱級系統(tǒng)直輻射為896 w·m-2時分別升高了74.86%、80.98%。(4)冷卻工質(zhì)在系統(tǒng)中循環(huán)的次數(shù)直接決定著系統(tǒng)輸出熱能的大小。為優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過實驗研究了太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)在單次循環(huán)和閉式循環(huán)下的輸出熱能特性。結(jié)果表明:閉式循環(huán)下,直輻射為978 W·m-2時,系統(tǒng)的熱電聯(lián)供級熱效率、加熱級熱效率、電效率分別為44.93%、47.26%、2.06%。較直輻射為992 W·m-2、單次循環(huán)下分別降低了21.48%、4.97%、20.77%。實驗運行10分鐘后,水箱中工質(zhì)溫度為46.7℃,提高了10.85℃,1.8m2鏡面熱電聯(lián)供級與30 m2鏡面加熱級系統(tǒng)熱效率為22.38%,實驗運行20分鐘后,水箱中工質(zhì)溫度為54.45℃,溫度提高了18.6℃;運行30分鐘后,水箱中工質(zhì)溫度為62.8℃,提高了28.7℃。(5)通過對熱電聯(lián)供級、金屬腔體加熱級分別進(jìn)行最佳電能輸出位置、鏡面開口寬度優(yōu)化以及熱能主要輸出單元金屬腔體加熱級加熱方式與結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得出熱電聯(lián)供級和金屬腔體加熱級的匹配和系統(tǒng)運行參數(shù)。本文提出的太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng),在保證電能輸出效率的同時輸出所需品質(zhì)的熱能。所得結(jié)論為其進(jìn)一步的研究和實際應(yīng)用提供了基本理論依據(jù)和初步的實驗支撐。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 拋物面槽式聚光 兩級系統(tǒng) 金屬腔體加熱級 輸出特性
【學(xué)位授予單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符號說明10-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 課題研究的背景及意義12-17
• 1.2 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-25
• 1.2.1 太陽能光伏（PV）發(fā)電系統(tǒng)17-20
• 1.2.2 平板式太陽能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)20-21
• 1.2.3 槽式聚光熱電聯(lián)供（PV/T）系統(tǒng)21-24
• 1.2.4 槽式聚光太陽能熱利用系統(tǒng)24-25
• 1.3 本文研究目的及創(chuàng)新點25-26
• 1.3.1 研究目的25-26
• 1.3.2 創(chuàng)新點26
• 1.4 本文研究的方法和內(nèi)容26-27
• 1.4.1 研究方法26
• 1.4.2 研究內(nèi)容26-27
• 第2章 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理27-42
• 2.1 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)27-29
• 2.2 聚光器和跟蹤系統(tǒng)29-32
• 2.3 熱電聯(lián)供級32-39
• 2.3.1 太陽電池32-37
• 2.3.2 PV/T腔體37-39
• 2.4 金屬腔體加熱級39-41
• 2.5 小結(jié)41-42
• 第3章 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的換能特性研究42-56
• 3.1 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的理論分析42-47
• 3.1.1 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的電輸出特性參數(shù)42-45
• 3.1.2 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的熱輸出特性參數(shù)45-47
• 3.2 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的電輸出性能研究47-53
• 3.2.1 非聚光光強(qiáng)下太陽電池的電性能47-49
• 3.2.2 聚光光強(qiáng)下太陽電池的電性能49-53
• 3.3 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的熱輸出性能研究53-55
• 3.4 小結(jié)55-56
• 第4章 太陽能線聚焦電熱聯(lián)供兩級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析56-67
• 4.1 PV/T腔體在不同位置、不同鏡面開.寬度下系統(tǒng)的特性研究56-61
• 4.2 聚光面積、加熱級腔體長度對系統(tǒng)輸出特性的影響研究61-64
• 4.2.1 1.8m~2鏡面PV/T級與 30m~2鏡面加熱級系統(tǒng)的輸出特性61-63
• 4.2.2 兩個不同系統(tǒng)之間的對比63-64
• 4.3 循環(huán)次數(shù)對系統(tǒng)輸出性能的影響研究64-66
• 4.4 小結(jié)66-67
• 第5章 總結(jié)與展望67-70
• 5.1 本論文工作總結(jié)67-68
• 5.2 研究工作展望及后續(xù)工作68-70
• 參考文獻(xiàn)70-74
• 攻讀碩士研究生期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參與課題情況74-76
• 致謝76

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