聚光光伏系统中太阳能电池的冷却问题研究

【摘要】：能源和环境问题是当今世界面临重要难题。太阳能已成为实现能源可持续发展的重点。太阳能聚光技术能将太阳光汇聚到面积很小的高性能聚光太阳能电池上，提高太阳光辐照能量密度，提高效率；同时，廉价的聚光系统和小面积的太阳能电池可以大幅度地降低系统的成本及稀缺昂贵的太阳能电池材料。高聚光的太阳能电池散热问题是影响光伏电池性能和系统可靠性的重要因素。本文针对高倍数聚光光伏系统中高热流密度光伏电池的散热问题，确保光伏电池工作在正常的温度范围内的安全性等难题，设计了特殊的热管散热器并进行了相关的实验研究。主要开展的研究工作如下： 1.本文基于太阳能聚光系统和太阳能聚光电池特性，分析世界典型城市太阳能聚光系统的能量传递特性。本文对上海、拉萨、西安、柏林、悉尼和纽约6个典型城市的太阳高度角、太阳方位角、太阳直射辐射强度等太阳参数进行了详细的理论计算，并根据相关单晶硅和三结砷化镓光伏组件的性能参数，对上述6个城市的日发电量进行了理论计算，计算结果表明，聚光组件的日发电量是单晶硅组件的1.85倍左右，而拉萨、悉尼和西安是比较适合光伏系统发展的理想地点。计算了温度对聚光光伏组件和单晶硅光伏组件性能的影响，结果表明，聚光光伏组件的温度系数要明显低于单晶硅光伏组件，因此适合于高倍聚光条件下。 2.本文设计了与聚光太阳能电池匹配的热管。热管蒸发端与聚光太阳能电池接触，其传热性能和热管蒸发端温度分布对电池性能和热管效率影响显著。建立了热管散热器蒸发端数值模拟计算模型，设置了边界条件、控制方程和物性参数。通过数值计算，模拟分析得到太阳能聚光比、热管倾斜角度和充液量等参数对蒸发端底面温度分布和蒸发端内部蒸发沸腾传热特性。对热管散热端的矩形翅片的传热特性进行了数值模拟，分析了翅片间距和翅片长度对翅片换热的影响。数值模拟的结果为热管散热器的设计和安全运行提供了指导。 3.搭建了高倍数碟式聚光光伏系统，对设计的热管散热器进行了试验研究。得到不同充液率、不同聚光比时，光伏电池和蒸发端底面温度的实验结果，并与仿真结果进行了对比，其中光伏电池的温度相差在5～9K之间，蒸发端底面的温度相差8～12K之间；根据各种工况下对聚光光伏系统中热管的实验研究结果，得到热管散热器蒸发端平均蒸发沸腾换热系数的参数关联式。 4.实验研究了聚光比为75X、100X、125X、150X、175X、200X时聚光光伏系统的特性，当聚光比为200X，平均太阳直射辐照强度为600W/m2、环境平均温度为28.9℃时，得到聚光光伏电池的平均开路电压是2.72V、平均短路电流是0.65A、平均功率密度是2.07W/cm2、平均转换效率是26%、平均电池温度是63.51℃。实验得到光伏电池的功率、转换效率和填充因子随着太阳能电池温度增加而降低特性。 5.基于所搭建的碟式高倍聚光光伏发电系统以及光伏电池的单二极管模型等效电路，建立了三结聚光GaInP/GalnAs/Ge叠层光伏电池电学特性的数学模型，深入分析了在聚光比分别为120X、130X、140X和150X下电池的电学特性，并与实验测量值进行了对比。高倍聚光条件下，三结砷化镓光伏电池电学特性的理论计算值与实际测量结果存在着一定的误差，聚光比相同时，开路电压的误差为2.08%，电池效率的误差为12.4%；电池温度相同时，开路电压的误差为2.04%，电池效率的误差为8.4%。 本课题得到教育部博士点基金项目“聚光光伏系统中太阳能电池的冷却问题研究（编号200802520006）”和上海市研究生创新基金项目(JWCXSL1021)支持。 【关键词】：太阳能 聚光光伏 三结砷化镓 热管 温度特性
【学位授予单位】：上海理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-13
• 第一章 绪论13-32
• 1.1 研究背景13-17
• 1.2 聚光光伏系统(CPV)17-26
• 1.2.1 聚光系统18-20
• 1.2.2 控制跟踪系统20-21
• 1.2.3 光伏转换系统21-26
• 1.3 聚光型太阳能电池的几种冷却技术及研究现状26-30
• 1.3.1 常用的冷却方法26-28
• 1.3.2 研究中的光伏电池散热方式28-30
• 1.4 存在的问题及课题的提出30
• 1.5 研究思路及主要研究内容30-32
• 第二章 聚光光伏系统能量流动分析32-63
• 2.1 聚光系统的能量流动分析32-54
• 2.1.1 聚光系统得到能量的计算32-52
• 2.1.2 温度对光伏组件性能的影响52-54
• 2.2 聚光光伏系统能量转化过程损失分析54-58
• 2.2.1 太阳光能量的损失54-55
• 2.2.2 聚光器的损失55
• 3.2.3 光伏电池的损失55-56
• 2.2.4 其他损失56-58
• 2.3 光伏电池的传热过程分析58-60
• 2.4 散热器性能对聚光光伏电池性能的影响60-61
• 2.5 本章小结61-63
• 第三章 聚光系统中热管散热器的设计及数值模型建立63-89
• 3.1 应用于聚光光伏系统中热管散热器的设计63-70
• 3.1.1 物理参数[74]64-65
• 3.1.2 热管散热器的设计65
• 3.1.3 校核计算65-70
• 3.2 数值计算软件70-74
• 3.2.1 数值计算方法70-72
• 3.2.2 FLUENT 简介72-74
• 3.3 热管散热器的工作原理74-82
• 3.3.1 热管原理74-78
• 3.3.2 适用于聚光光伏系统中热管散热器的结构及工作原理78-79
• 3.3.3 热管工质液体的选择79-82
• 3.4 热管散热器蒸发端的数学物理模型82-86
• 3.4.1 热管散热器蒸发端的物理模型82
• 3.4.2 数值计算方法的确定82-84
• 3.4.3 数学模型84-86
• 3.5 热管散热器冷凝段翅片的数学物理模型86-88
• 3.5.1 热管散热器冷凝段翅片的物理模型86-87
• 3.5.2 数值计算方法的确定87-88
• 3.5.3 数学模型88
• 3.6 本章小结88-89
• 第四章 热管散热器数值计算与结果分析89-115
• 4.1 蒸发端的数值计算89-108
• 4.1.1 数值计算方法89-90
• 4.1.2 物性90-91
• 4.1.3 网格的划分91-92
• 4.1.4 FLUENT 设置92-97
• 4.1.5 数值计算结果与分析97-108
• 4.2 热管翅片的数值计算108-112
• 4.2.1 数值计算方法108
• 4.2.2 物性108-109
• 4.2.3 网格的划分109
• 4.2.4 边界条件和流体状态的确立109-110
• 4.2.5 数值计算结果及分析110-112
• 4.3 本章小结112-115
• 第五章 热管散热器蒸发端的实验研究115-131
• 5.1 聚光光伏系统的组成115-119
• 5.1.1 聚光器115-116
• 5.1.2 三结砷化镓聚光光伏电池116-117
• 5.1.3 热管散热器117
• 5.1.4 跟踪控制系统117-118
• 5.1.5 控制箱118-119
• 5.2 实验数据参数采集系统119-122
• 5.2.1 温度测量装置119-120
• 5.2.2 压力测量装置120
• 5.2.3 数据采集系统120-122
• 5.3 热管散热器蒸发端的实验122-129
• 5.3.1 测试系统和测试方法122-123
• 5.3.2 实验结果及讨论123-126
• 5.3.3 实验结果与数值模拟计算结果的比较及误差分析126-128
• 5.3.4 蒸发端平均蒸发沸腾换热系数128-129
• 5.4 本章小结129-131
• 第六章 高倍数聚光光伏电池特性的实验研究131-155
• 6.1 聚光型光伏电池电学特性的实验131-136
• 6.1.1 光伏电池发电原理131-132
• 6.1.2 三结砷化镓光伏电池132-133
• 6.1.3 光伏电池的基本性能参数133-134
• 6.1.4 三结砷化镓光伏电池电学参数的定义134-135
• 6.1.5 测量系统与测试方法135-136
• 6.2 三结砷化镓光伏电池的实验研究136-143
• 6.2.1 热流密度对三结砷化镓光伏电池特性的影响136-139
• 6.2.2 电池温度对三结砷化镓光伏电池特性的影响139-143
• 6.3 三结砷化镓光伏电池电学参数的温度特性143-147
• 6.3.1 开路电压的温度特性144
• 6.3.2 短路电流的温度特性144
• 6.3.3 峰值功率的温度特性144-146
• 6.3.4 填充因子的温度特性146
• 6.3.5 电池效率的温度特性146-147
• 6.4 三结砷化镓光伏电池 I-V 特性147-149
• 6.5 三结砷化镓光伏电池电学特性的理论和实验分析149-153
• 6.5.1 三结砷化镓光伏电池的计算模型149-150
• 6.5.2 三结砷化镓光伏电池电学特性理论和实验结果对比分析150-153
• 6.6 本章小结153-155
• 第七章 结论与展望155-160
• 7.1 全文总结155-158
• 7.2 本文创新点158-159
• 7.3 对今后工作的展望159-160
• 附录一160-162
• 主要符号表162-164
• 参考文献164-171
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果171-173
• 致谢173

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

碟式太阳能热发电系统    刘巍;王宗超;

两相闭式热虹吸管内的流动和传热    陈岗,辛明道,陈远国

应用于聚光型太阳能电池的几种冷却技术    翁政军;杨洪海;

聚光光伏系统    陈诺夫;白一鸣;

我国的太阳能资源    净玥

21世纪我国太阳能利用发展趋势    赵玉文

蒸汽远红外养护混凝土的热工测试    赵梦奇,周志强,周作辉

热管技术在鞍钢彩涂线低温尾气余热回收中的应用    高军;刘淇滨;白世宏;

日光温室采光与下挖深度优化设计    李霞;于贤昌;艾希珍;李清明;

质流相似法原理与过程分析    邓先琛

户用PV系统设计    牟志平;

太阳能地板辐射采暖系统的应用研究    贺立三;刘振波;高林朝;高艳军;

生物燃料进展研究    闫强;王安建;王高尚;于汶加;陈其慎;

太阳能利用跟踪技术的研究进展    许启明;冯俊伟;宫明;

云南省农村能源发展现状及思考    王晓燕;谢建;胡向军;

云南省昆明市高校太阳能热水系统的研究    韩雷涛;谢建;苏庆益;

燃气轮机双燃料燃烧室流场及污染排放数值研究    穆勇

光伏跟踪系统智能控制方法的研究    徐晓冰

注射成型过程中多相聚合物相形态演变的建模与模拟    刘芬

光伏产业国际竞争力研究    陈晓燕

基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化    黄钰期

淀粉/纤维素类生物质发酵联产氢气和甲烷的机理研究    谢斌飞

纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究    赵佳飞

重力热管传热过程的数学模型及液氮温区重力热管的实验研究    焦波

振荡流热管换热器换热性能及其在干燥系统中的应用研究    柴本银

反型聚合物太阳能电池的研究    李福民

巷道水分蒸发处理及风流温度湿度计算    徐文

煤化工气液固多相流管道磨蚀机理及仿真预测研究    包金哲

蜂窝板传热元件的性能研究    姜逢章

河南太阳能热水器与住宅一体化设计研究    刘磊

基于ANSYS的离心压缩机主要零件建模和受力分析    谷骁勇

多级压气机三维流场数值模拟研究    魏国亮

化学回热循环与水系统仿真研究    杨仁

横向来流对等离子点火器点火区域的影响    吴曙亮

LED彩色打印机内部温度场的数值计算    崔广云

C/E复合材料磨削温度理论建模与分析    马海龙

太阳自动跟踪器的研究    孙茵茵,鲍剑斌,王凡

沟槽变异对菲涅耳透镜光学效率的影响    李维谦;

无机贮光材料与太阳能光导照明系统的结合    陈华晋;李宝骏;赵阳春;

太阳能自动跟踪系统的探索与实验    徐文灿,袁俊,严伟,杨庆

聚光光伏系统    陈诺夫;白一鸣;

一种太阳自动跟踪装置的设计    侯长来

“八面玲珑展威风”——介绍一种新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”    王亦楠;

碟式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计和实现    郑飞

GaInP_2/GaAs/Ge双结级联太阳电池MOCVD生长和聚光器的制作研究    李晓婷

基于时间序列成本预测的低倍聚光光伏未来成长性分析    周奕琛;张斌;

聚光光伏系统的技术进展    田玮;王一平;韩立君;刘永辉;张金利;

世界上最大的聚光光伏项目提前动工    

聚光光伏技术概述    张志刚;

固定式聚光光伏发电方案简介    李穆然;李娜;

聚光光伏商业分析    穆杰;夏宏宇;仲琳;

屋顶型聚光光伏系统    穆杰;夏宏宇;仲琳;

第二届天津国际聚光光伏技术研讨会成功召开    

清洁可再生能源——大型聚光光伏电站    陈诺夫;

高倍聚光光伏的系统构成概述    成松;刘晓晖;成佰新;毛占春;杨帆;

聚光光伏系统接收器优化设计要素    舒碧芬;沈辉;金井升;陈美园;

太阳能聚光光伏电池热管冷却方法分析    王子龙;张华;张海涛;耿直;

太阳能聚光光伏系统散热器设计    张聪;张华;

高倍数碟式聚光光伏系统及其散热器结构优化方案    李烨;张华;王子龙;

聚光光伏行业会聚嘉兴“论剑”未来    记者 方霞 通讯员 张文术

聚光光伏：成本优势明显 推广仍需时日    本报记者 诸玲珍

聚光光伏时代或将到来    本报记者 张蕾

国内最大 并网聚光光伏电站落成    本报记者 邢佰英

高倍聚光光伏产业化项目开工    记者 孙玉宝

改变聚光光伏国际标准制定中国企业“失语”状态    通讯员 高茜

我国聚光光伏企业将参与国际标准制定    记者 管晶晶

聚光光伏将引领太阳能发电技术    本报记者 王海霞

三安光电高倍聚光光伏产业化项目开工    记者 陈捷

高倍聚光光伏产业化取得突破    记者 孙玉宝

聚光光伏系统中太阳能电池的冷却问题研究    王子龙

基于平面镜反射的聚光光伏系统研究    张海燕

高效能空间薄膜聚光光伏系统研究    马宏财

高倍聚光光伏光热综合利用系统的理论和实验研究    陈海飞

分光型聚光与聚风一体化发电的关键技术研究    章佳锋

聚光光伏系统的研究    高益兵

低倍率聚光光伏系统的性能研究    徐章禄

HCPV电性能测试系统研究    王立功

高倍聚光光伏自动跟踪系统的设计    黄茜

聚光光伏发电光学系统优化设计研究    林海浩