透射式太阳能CPV/T系统的设计及性能研究

【摘要】：化石能源紧缺日益成为制约人类社会发展的瓶颈,改变能源结构势在必行。而太阳能是公认的清洁、环保、可持续发展的新能源,因此太阳能的利用已得到了极大关注。本文在总结了现有太阳能透射式CPV/T系统研究成果的基础上,设计并提出了两种透射式太阳能CPV/T系统:实体CPC聚光光伏/热/采光系统和转轮菲涅尔聚光光伏/热系统,对其性能进行了深入的研究。通过聚光器光路分析提出了实体CPC聚光光伏/热/采光系统中抛物线方程的推导方法以及临界入射角的确定方法,利用光学仿真研究了光线入射角以及入射点的不同位置对实体CPC聚光性能的影响,利用试验测试了实体CPC在实际天气下的透过率,结果表明:仿真中在正午太阳光入射角为0°时,直射光的透过率为0;在入射角大于60°时,透过率接近100%。在试验测试当天,正午透过率最低值为32%,最大透过率为60%左右。实体CPC盖板透过率的试验结果与光学仿真结果有较好的一致性。对实体CPC聚光光伏/热/采光系统进行了热特性仿真研究和热特性稳态试验研究,并在稳态试验的基础上,对实际天气条件下透射式CPC聚光PV/T/D系统进行性能测试,测试结果表明:在透过率较低的时段(10:00-14:00),电池发电效率和空气得热功率都较高,中午时刻最大发电效率约为7%,最大生热功率约为55W。采用光线追踪的方法对外表面为圆形截面、椭圆形截面和抛物线形截面的三种类型的菲涅尔透射聚光器进行分析。分别确定了不同类型菲涅尔透镜设计时的最大厚度l和最小厚度d。利用光学仿真对比三种不同聚光器的聚光性能,分析其在聚光效率、跟踪误差敏感性以及入射光轴向倾斜对接收效率影响等方面的优劣,综合考虑多种因素确定采用圆形的菲涅尔聚光器。以砷化镓高聚光电池做为接收器,在实际的典型天气下对透射式菲涅尔聚光PV/T系统进行试验研究,测试了接收装置的温度分布、系统电能和热能的输出特性,以及热电综合利用率。结果表明:透射式菲涅尔聚光PV/T系统中午时段的发电效率最大可达18%,冷却水得热功率最大值约为150W,对比装置总接收太阳辐照功率和冷却水得热功率可知中午时段得热率在最大可达50%。 【关键词】：太阳能 透射 菲涅尔镜 聚光 光伏/热 采光
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-26
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.2 太阳能光伏、光热利用13-18
• 1.2.1 光热利用13-15
• 1.2.2 光伏发电15-18
• 1.3 国内外聚光光伏/热系统的研究现状及发展趋势18-24
• 1.3.1 PV/T系统的研究进展18-20
• 1.3.2 CPV/T系统的研究进展20-24
• 1.4 本文的主要研究内容24-26
• 第2章 透射式实体CPC聚光原理26-45
• 2.1 实体CPC聚光原理26-31
• 2.1.1 CPC的特征参数计算27-29
• 2.1.2 临界入射角?0的确定29-31
• 2.2 实体CPC聚光光学仿真31-39
• 2.2.1 实体CPC三维建模32-33
• 2.2.2 单个实体CPC光路追踪33-37
• 2.2.3 多个实体CPC光路追踪37-39
• 2.3 实体CPC透过率试验测试39-44
• 2.3.1 实体CPC盖板制作39-40
• 2.3.2 试验测试方法40-41
• 2.3.3 试验结果及讨论41-44
• 2.4 本章小结44-45
• 第3章 透射式实体CPC聚光PV/T/D系统性能研究45-71
• 3.1 透射式实体CPC聚光PV/T/D系统设计45-46
• 3.2 PV/T/D系统热特性仿真研究46-57
• 3.2.1 PV/T/D系统外部各表面温度分布48-50
• 3.2.2 PV/T/D装置中空气温度与速度分布50-51
• 3.2.3 不同风速下装置中空气得热效率51-52
• 3.2.4 不同进气孔位置仿真对比52-55
• 3.2.5 不同进气孔径对装置温度分布的影响55-57
• 3.3 PV/T/D系统热特性稳态试验研究57-64
• 3.3.1 试验装置57-58
• 3.3.2 试验结果与仿真结果对比58-59
• 3.3.3 不同底板通风孔数的稳态试验59-61
• 3.3.4 不同加热功率的稳态温度分布试验61-63
• 3.3.5 不同风速对装置热特性的影响63-64
• 3.4 实际天气下PV/T/D系统的性能测试64-69
• 3.4.1 实际天气下的热特性试验64-67
• 3.4.2 实际天气下光/热/电联供试验67-69
• 3.5 本章小结69-71
• 第4章 透射式菲涅尔聚光PV/T系统设计71-120
• 4.1 透射式菲涅尔聚光器设计方法73-83
• 4.1.1 外表面为圆形截面73-77
• 4.1.2 椭圆形截面77-80
• 4.1.3 抛物线形截面80-83
• 4.2 透射式菲涅尔聚光器光学仿真83-109
• 4.2.1 跟踪误差对光斑影响86-97
• 4.2.2 光线轴向入射角对光斑影响97-109
• 4.3 基于透射式菲涅尔聚光器的PV/T系统构建与优化109-118
• 4.3.1 透射式菲涅尔聚光PV/T系统构建109-111
• 4.3.2 侧翼反射器设计111-112
• 4.3.3 PV/T接收装置设计及热特性数值分析112-118
• 4.4 本章小结118-120
• 第5章 透射式菲涅尔聚光PV/T系统试验研究120-135
• 5.1 试验系统建立120-124
• 5.1.1 试验系统原理120-121
• 5.1.2 单块砷化镓高聚光电池性能测试121-122
• 5.1.3 试验用砷化镓高聚光电池组性能测试122-124
• 5.2 PV/T系统性能测试124-133
• 5.2.1 热/电输出特性测试125-128
• 5.2.2 结合仿真结果分析热/电输出特性128-133
• 5.3 本章小节133-135
• 结论135-138
• 参考文献138-144
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单144-146
• 致谢146-147
• 作者简介147

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容