非跟踪型太阳能聚光器的优化分析和实验研究

【摘要】：面对日益增长的建筑能耗需求,太阳能作为一种取之不尽用之不竭的清洁能源,将其与建筑相结合,是建筑节能的有效措施之一,也是太阳能应用的重要方面。目前随着人们生活水平的提高,对建筑能源供应的需求越来越高。除了现有的对电力、热水需求的增长,人们开始对太阳能建筑采暖、制冷、除湿等方面提出了要求,即需要更高品质的热源,尤其是在冬季或者辐照条件较弱的情况下。 聚光条件下的光电光热综合利用(Photovoltaic/thermal, PV/T)的提出为这一问题的解决提供了可能。然而,与建筑相结合的聚光器有其自身特点：第一,可以与建筑围护结构相结合,即要求固定安装,而不需要跟踪装置或做季节性调整,从而可以使其与建筑围护结构相集成,进一步降低系统成本和装置的运行维护费用,为聚光PV/T在建筑中普遍使用提供方便和可能；第二,固定安装的聚光器必须有较大的接收半角,而接收半角与聚光比呈反比关系,因此,在确定接收半角的同时要尽可能的具有较大的聚光比,从而使聚光应用更加具有优势,例如可产生更多的光电输出或者更高温度的热源；第三,聚光条件下的光强分布应尽量均匀,从而可以保证聚光条件下光伏电池具有较高的输出特性,在相同聚光比的条件下为建筑提供更多的电力。 本文着眼于这一显著的建筑能源需求和应用前景,围绕着以上的三点,开展了对建筑太阳能一体化中非跟踪型聚光器的一系列理论优化分析和实验研究工作。研究工作主要包括以下几个方面： 1)对现有的低倍复合抛物面聚光器(CPC)进行研究,包括实体CPC和镜面CPC,结合折射和反射两种聚光方式,提出了一种新型的Lens-walled CPC的结构。针对2.5倍几何聚光比和4倍几何聚光比的Lens-walled CPC,采用光线跟踪方式进行了不同入射角下的光学性能模拟,同时对相应的聚光光强辐照分布进行了模拟。 2)选择与Lens-walled CPC相匹配的成本较低、光学性能较好、材料属性稳定持久的折射材料研制了Lens-walled CPC-PV的模块。采取室内实验和室外实验相结合的方法,进行了Lens-walled CPC-PV、镜面CPC-PV和实体CPC-PV三者的室内对比实验以及将Lens-walled CPC-PV按照南北方向和东西方向分别固定安置的室外测试实验。 3)提出了带空气夹层的Lens-walled CPC结构,同时对Lens-walled CPC一系列几何参数进行了优化,以达到更高的光学效率。模拟了一年中不同月份,不同辐照强度条件下系统的光学性能,并建立了在不同方位角、高度角情况下的系统光学动态模型,为实验提供理论依据。 4)通过采取方管直接层压光伏电池的技术,研制了Lens-walled CPC-PV/T结构,设计并搭建了可与建筑固定安装的Lens-walled CPC-PV/T复合系统的实验和测试平台,并对该系统在合肥地区进行了测试研究。讨论并分析了Lens-walled CPC-PV/T系统瞬时动态电性能和热性能的变化以及全天的综合性能,着重通过对比实验从理论和实验上分析了Lens-walled CPC-PV/T全天各个时间段的光学效率、电效率和热效率,从实验角度验证了设计和优化的合理性,为Lens-walled CPC-PV/T在建筑中的实际应用奠定了基础。 论文的主要创新点为： 1)将折射材料与CPC内壁结构相结合,提出了Lens-walled CPC结构,与传统CPC相比,在相同的几何聚光比条件下具有更大的接收半角；同时由于接收半角的增加,可以吸收更长时间的辐照,电池的单位面积发电量增加,从而提高了系统的性价比。 2)优化了Lens-walled CPC模块,利用全反射进一步提高了聚光器的光学效率,同时该结构也改进了镜面CPC的聚光光强分布,更有利于聚光条件下光电转换效率的提高,从而使Lens-walled CPC明显优于镜面CPC。 3)将新型复合聚光系统和PV/T的优点相结合,利用透镜折射聚光和复合抛物面反射聚光的共同作用,在保证聚光效率的前提下,不需要跟踪机构、运动部件的前期投入和维护保障,对太阳能建筑一体化中非跟踪型聚光光电光热系统的性能测试进行了初步探索。 4)在制作工艺方面,选取了方管上表面直接层压光伏电池的方式,避免了传统工艺上的铝板层压电池后再焊接冷却管的工艺步骤,为系统的可靠性和初投资的经济性以及可行性分析提供了依据。 5)由于lens-walled CPC-PV/T完全不需要跟踪,可与建筑的结构特点相结合,安置在屋顶或墙壁,避免了一般聚光装置与建筑结合较难、跟踪系统复杂、以及初投资较大问题：同时系统中的聚光装置可以有效提高PV/T中的热能输出温度,使得PV/T在为建筑提供光伏电力和生活热水以外,也可为建筑提供冬季采暖和夏季热驱动制冷所需的较高温度的热源,从而提高系统潜在的应用前景,也为聚光型建筑光电光热系统的推广应用做出有价值的探索。 【关键词】：太阳能 复合抛物面 非跟踪聚光器 光电光热 建筑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-15
• 第1章 绪论15-35
• 1.1 太阳能建筑应用的现状15-19
• 1.1.1 太阳能光热建筑一体化15-18
• 1.1.2 太阳能光伏建筑一体化18
• 1.1.3 太阳能光电光热综合利用建筑一体化(BIPV/T)18-19
• 1.2 太阳能聚光利用19-23
• 1.2.1 太阳能聚光利用的背景19-21
• 1.2.2 非成像聚光器21-23
• 1.2.2.1 非成像聚光器产生21-22
• 1.2.2.2 聚光比的定义22-23
• 1.3 复合抛物面聚光器(CPC)23-33
• 1.3.1 复合抛物面聚光器发展及分类23-25
• 1.3.2 复合抛物面聚光器的聚光原理25-28
• 1.3.3 复合抛物面聚光器的截取比28-31
• 1.3.4 复合抛物面聚光器的结构参数31-33
• 1.4 建筑一体化中复合抛物面聚光器的缺点33
• 1.5 论文主要工作33-35
• 第2章 实体CPC的模拟和实验研究35-48
• 2.1 引言35
• 2.2 实体CPC聚光原理及优势35-38
• 2.2.1 聚光原理35-36
• 2.2.2 全反射现象36
• 2.2.3 实体CPC-PV的优势36-37
• 2.2.4 研究现状37-38
• 2.3 模拟研究38-40
• 2.3.1 光线跟踪原理38-39
• 2.3.2 光线跟踪分析39-40
• 2.4 实验研究40-44
• 2.4.1 实验介绍40-41
• 2.4.2 实验分析41-44
• 2.4.2.1 实验结果分析41-44
• 2.4.2.2 实验误差分析44
• 2.5 假设与讨论44-46
• 2.6 本章小结46-48
• 第3章 Lens-walled CPC的设计和模拟研究48-71
• 3.1 引言48
• 3.2 Lens-walled CPC的结构介绍48-49
• 3.3 聚光原理49-50
• 3.4 Lens-walled CPC结构的数学描述50-53
• 3.4.1 BC、AD曲线方程50-51
• 3.4.2 CE、DE曲线方程51-53
• 3.5 光线跟踪53-58
• 3.5.1 单根光线跟踪计算53-57
• 3.5.2 光线跟踪模拟57-58
• 3.6 光学效率分析58-64
• 3.6.1 光路对比58-60
• 3.6.2 不同入射角下的光学效率60-64
• 3.7 全天模拟64-66
• 3.8 Lens-walled CPC光强分布分析66-69
• 3.8.1 2.5倍Lens-walled CPC66-68
• 3.8.2 4倍Lens-walled CPC68-69
• 3.9 本章小结69-71
• 第4章 Lens-walled CPC实验研究71-97
• 4.1 引言71
• 4.2 Lens-walled CPC-PV初步试制和测试71-77
• 4.2.1 结构介绍71-73
• 4.2.2 材料和制作73-74
• 4.2.3 实验分析74-77
• 4.3 Lens-walled CPC与其他CPC室内对比测试77-83
• 4.3.1 实验介绍77-79
• 4.3.2 测量结果和讨论79-83
• 4.4 Lens-walled CPC室外测试83-93
• 4.4.1 实验介绍83-84
• 4.4.2 聚光器不同安装方向的原理分析84-87
• 4.4.3 结果和分析87-91
• 4.4.4 讨论91-93
• 4.5 聚光强度分析93-96
• 4.5.1 实验介绍93-94
• 4.5.2 实验结果和分析94-96
• 4.6 本章小结96-97
• 第5章 带空气夹层的Lens-walled CPC设计和研究97-109
• 5.1 引言97
• 5.2 带空气夹层的Lens-walled CPC设计97-99
• 5.3 模拟研究99-103
• 5.3.1 模拟参数介绍99
• 5.3.2 光学效率模拟99-100
• 5.3.3 聚光光强分布模拟100-103
• 5.4 实验研究103-108
• 5.4.1 实验介绍103-104
• 5.4.2 实验分析104-108
• 5.4.2.1 光学效率分析104-107
• 5.4.2.2 聚光辐照强度分析107-108
• 5.5 本章小结108-109
• 第6章 Lens-walled CPC-PV/T系统优化及初步实验109-131
• 6.1 引言109-110
• 6.2 优化原则110-111
• 6.3 Lens-walled CPC结构参数分析和优化111-116
• 6.3.1 几何聚光比111
• 6.3.2 旋转角111-112
• 6.3.3 空气夹层结构112-113
• 6.3.4 底端厚度113-115
• 6.3.5 截取比(TR)115-116
• 6.4 年性能模拟116-117
• 6.5 Lens-walled CPC-PV/T系统研究117-130
• 6.5.1 Lens-walled CPC-PV/T实验系统117-120
• 6.5.2 Lens-walled CPC-PV/T测试系统120-125
• 6.5.2.1 测试系统介绍120-121
• 6.5.2.2 测量仪器介绍121-125
• 6.5.3 实验测量和结果分析125-130
• 6.5.3.1 实验设计和参数测量介绍125
• 6.5.3.2 实验结果和理论分析125-130
• 6.6 本章小结130-131
• 第7章 镜面CPC热水系统的研究131-148
• 7.1 引言131
• 7.2 CPC热水系统的需求和优势131-132
• 7.3 CPC真空管聚光器介绍132-136
• 7.3.1 聚光器结构132-133
• 7.3.2 光学跟踪分析133-136
• 7.3.2.1 模拟参数设定133
• 7.3.2.2 光学分析133-135
• 7.3.2.3 光学效率分析135-136
• 7.4 真空管CPC热水试验台136-138
• 7.4.1 系统结构介绍136-137
• 7.4.2 实验测试器件137-138
• 7.5 实验测试和结果分析138-146
• 7.5.1 实验设计和测试参数介绍138-139
• 7.5.2 测试结果和分析139-146
• 7.5.2.1 真空管CPC热水系统单独测试实验139-143
• 7.5.2.2 与普通真空管热水系统的对比试验143-144
• 7.5.2.3 中温导热油实验144-146
• 7.6 本章小结146-148
• 第8章 工作总结和展望148-150
• 8.1 工作总结148
• 8.2 后续工作展望148-150
• 参考文献150-159
• 附录1 符号表159-161
• 附录2 图清单161-165
• 附录3 表清单165-166
• 致谢166-167
• 攻博期间发表的学术论文与取得的其他研究成果167-168

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