太阳能电热联用槽式聚光器设计与性能研究

【摘要】：相对于常规能源，太阳能光伏发电的成本较高，如果使用价格较为低廉的简单聚光系统，增加太阳能电池的入射能量，能够使得单位面积的电池组件产生更多的电功率，从而达到降低光伏发电价格的目的。但是由于聚光能量的引入会使得电池组件的温度升高，影响电池的输出性能和寿命等，如果通过水冷循环收集并利用这部分热能，能够使得整个系统获得较好的电、热功率输出。按照这样的太阳能分级利用原则，我们开展了如何设计性能良好的太阳能电热联用(PVT)槽式聚光器的研究。 首先分析了基于常规晶硅电池PVT槽式聚光器的聚光比设计范围，给出了PVT槽式聚光器和电热联用部件的基本结构形式，以及使用二次反射镜获得均匀光照的方法。然后，使用光线追迹模拟方法对聚光器尺寸进行优化设计，分析在不同入射光线条件下各种结构尺寸PVT槽式聚光器的光学性能情况，包括聚光比、均匀性和集光角等。 根据模拟优化后的结构尺寸范围，建立了PVT槽式聚光器实验装置并搭建了室内槽式聚光器性能测试平台，对无量纲高度ψH分别为0.883、0.979、1.095和1.220的PVT槽式聚光器进行了实际电性能测量。结合晶硅电池双二极管等效模型分析了实验结果，电池组件短路电流ISC下降主要是由于电池内部的串联电阻RS增大，而开路电压VOC减小是其对应的并联电阻Rsh有所下降。此外，根据模拟和实验结果分析得到了PVT槽式聚光器最终优化结构。 最后，使用优化结构的PVT槽式聚光器在室外建立了实验监测平台，对其电、热输出性能进行实时数据采集。分析了实验系统的电功率输出性能、热功率输出性能、工质温度的变化特性和天气情况对PVT槽式聚光器室外实验系统的性能影响等。在日照强度约为标准光照强度(1000W/m~2)一半的情况下，PVT槽式聚光器实验系统的最大电功率能够达到12.28W，为标称值的2.4倍，最大电效率能够达到14.55%。在日照量为2.47kWh/m~2情况下，平均热功率达到77.45W，最大热□功率为2.93W。 【关键词】：太阳能 槽式聚光器 电热联用 优化设计 实验研究
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 主要符号对照表9-11
• 第1章 引言11-23
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究现状12-22
• 1.2.1 非聚光太阳能电热联用的研究12-14
• 1.2.2 聚光型太阳能电热联用及聚光器使用情况14-22
• 1.3 研究目标22-23
• 第2章 太阳能电热联用槽式聚光器实验方案设计23-34
• 2.1 本章引论23
• 2.2 聚光器聚光比选定23-24
• 2.3 太阳能电热联用槽式聚光器24-28
• 2.3.1 菲涅尔透镜的原理24-26
• 2.3.2 改善聚光效果方法26-27
• 2.3.3 槽式聚光器结构27
• 2.3.4 电热联用(PVT)部件的结构27-28
• 2.4 太阳能电热联用槽式聚光器性能预测和测量方法28-33
• 2.4.1 槽式聚光器性能预测方法28
• 2.4.2 槽式聚光器性能测量方法28-31
• 2.4.3 太阳能电热联用槽式聚光器室外实验系统31-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 槽式聚光器性能预测34-49
• 3.1 本章引论34
• 3.2 模拟方法及参数设定34-40
• 3.2.1 太阳光光谱35-36
• 3.2.2 聚光比参数36-38
• 3.2.3 均匀性参数38-39
• 3.2.4 方法验证39-40
• 3.3 平面二次反射镜性能40-47
• 3.3.1 垂直入射时聚光比随聚光高度的变化41-42
• 3.3.2 垂直入射时均匀性随聚光高度的变化42-45
• 3.3.3 聚光比随入射角的变化45-47
• 3.3.4 均匀性随入射角的变化47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 槽式聚光器参数选取与实际性能测定49-67
• 4.1 本章引论49
• 4.2 槽式聚光器实际测试尺寸范围49-50
• 4.3 槽式聚光器实验台结构50-51
• 4.4 聚光器实际性能结果51-59
• 4.4.1 电池组件性能随聚光高度的变化52-56
• 4.4.2 电池组件性能随入射角的变化56-59
• 4.5 测量结果的理论分析59-64
• 4.6 参数选取64-65
• 4.7 本章小结65-67
• 第5章 电热联用室外实验系统建立与性能分析67-91
• 5.1 本章引论67-68
• 5.2 槽式聚光器电热联用实验系统68-74
• 5.2.1 电热联用槽式聚光器安装角68-73
• 5.2.2 室外实验台的实验工况73
• 5.2.3 电、热输出参数计算方法73-74
• 5.3 室外 PVT 槽式聚光器实验系统运行性能74-82
• 5.3.1 电、热功率的输出性能74-77
• 5.3.2 工质温度的变化特性77-78
• 5.3.3 PVT 部件的温度变化78-80
• 5.3.4 电性能阶跃分析80-82
• 5.4 换热响应82-83
• 5.5 天气情况对 PVT 系统的性能影响83-85
• 5.6 日照量和循环流量对 PVT 系统的性能影响85-86
• 5.7 误差分析86-88
• 5.8 本章小结88-91
• 第6章 结论91-94
• 6.1 研究总结91-93
• 6.2 未来工作展望93-94
• 参考文献94-100
• 致谢100-101
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果101

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