新型太阳能光伏光热蓄能器动态特性理论研究

发布时间：2020-11-18 21:54

　　 太阳能有储量丰富、清洁无污染的特点,因而具有巨大的发展潜力以及广阔的应用前景。目前在物理上的应用主要是光热利用以及光伏发电。太阳能光伏光热(PV/T)集热器是一种集光伏发电与光热利用于一体的新型太阳能利用装置。在这个基础上,将PV/T集热器与相变蓄能材料(PCM)结合成一体,构成太阳能光伏光热蓄能器(PV/T/PCM)。太阳能经过集热器的转化,同时产生电能和热能,前者被直接利用,后者可以在蓄能器储存起来留待后用。在本文中,第一章简要叙述能源发展的现状和趋势,并主要介绍了一种在太阳能技术领域中新型的综合型光伏光热蓄能系统;第二章比较了具有不同冷却流体的双流道PV/T集热器的动态性能;第三章制备出一种适合PV/T工况的复合相变材料(CPCM)并给出了材料特性分析;第四章则将相变材料引入PV/T集热器,研究了 PCM植入位置和厚度的改变对PV/T蓄能器动态性能的影响;第五章通过改变PCM层设计参数,对PV/T蓄能器的模拟结果进行对比分析,提出优化能量输出的设计方案。最后,对下一步的研究工作提出一些建议。根据能量平衡方程,建立PV/T系统数学模型,计算得到系统在给定天气条件下,电池板温度、光伏转换效率、出口水温、光电效率、光热效率等性能参数的变化规律,是分析PV/T系统动态特性比较常用的处理方法。各章的主要结论如下。1.不同工质的双流道PV/T集热器的动态特性电池板温度、光电功率、光热功率与光热效率随着光照强度的增强而升高,但光伏转换效率、光电效率随光强的增强而降低。相对于太阳辐射强度,出口水温受环境温度的影响比较大。此外,集热器总效率比较稳定,大致维持在80%-83%之间。水-水冷型集热器在4种冷却方式中综合表现最优异。在应用中,水-水冷却型集热器可以供给的热水流量最大(39.4℃,0.1 kg/s);气-水冷型可以提供的热水温度最高(40.9℃,0.05 kg/s);气-气冷型集热器可以提供温度最高且流量最大的热空气(45.6℃,0.1 kg/s)。对于水-水冷型集热器,水流流量与流道高度比的增加,能够一定程度上带来系统光电效率、总效率的提高。在这一章的工作中,0.15kg/s的水流量以及3:1的高度比是最优的。2.复合相变材料的制备、分析在共晶混合物中,硬脂酸-十八烷(SA-ODE)充当相变蓄能材料,而六方氮化硼(HBN)的引入可以在一定程度上提高共晶物的导热系数。SA-ODE共晶物可以均匀吸收HBN且没有产生化学反应。制备出的CPCM具有比较高的相变潜热,该值与HBN的含量呈负相关。根据TGA分析,CPCM具有优异的热稳定性,在70℃以下的热循环重量损失小于0.1%。掺入10%重量百分比HBN的CPCM具有最优秀的综合性能表现。3.PV/T/PCM蓄能器的动态特性对于PV/T/PCM蓄能器,随着太阳辐射强度的增强,电池板温度升高到76.7℃,光电功率提高到106.1W。同时光伏转换效率降低到9.2%,并且光电效率降低到6.7%。有用热功率随着辐射强度变化,在12:00的上层PCM方案中达到435W的最大值。此外,出口水温随着环境温度变化,在12:00的无PCM方案中达到42.4℃的最大值。在三种PCM植入方案下,上层PCM方案具有最佳的综合性能,总效率比无PCM方案高了 10.7%。在该方案下,3cm厚的PCM层的PV/T/PCM的电气性能与热力性能同时达到最佳值。4.最大化PV/T/PCM蓄能器的能量输出植入熔点30℃PCM层的集热器具有最优异的电气性能。熔点60℃模式可以提供温度最高的热水,在17:30,出口温度和光热功率取得最大值,分别为30.24℃和1096W。而熔点40℃可以从17:00到22:00不间断提供热水,工作时间最长。植入熔点40℃PCM层的集热器具有最高的热能输出。此外,植入3.4cm厚、熔点40℃的PCM层的集热器可以获得最高的总能量输出。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TB34;TK513.5
【部分图文】：

该装置可以在一定程度上改善太阳能在短期内的间歇性问题。ＰＶ／Ｔ蓄能器可以在??白天供能富余时，将富余热量储存在ＰＣＭ层内，在晚上将之释放以满足夜间热能的需??要。图１．２［５７］为一种典型的ＰＶ／Ｔ蓄能器的基本结构示意图。??一、．＂Ｗ??图１．２?ＰＶ／Ｔ蓄能器的基本结构??１．４．２?ＰＶ／Ｔ蓄能器研究现状??与ＰＶ／Ｔ集热器相比，ＰＶ／Ｔ蓄能器这个理念更具时代性，其对太阳能光伏光热系统??性能的提高也很有效。Ｂｒｏｗｎｅ［５８］等人发现将ＰＣＭ的引入ＰＶ／Ｔ集热器是一种增强电??池板散热的有效方法，ＰＣＭ引入ＰＶ／Ｔ集热器前后的最大温度差达到５．５°＜＾Ｎａｖａｉｒ〇［５９］??７??

效率、电功率、电效率、热输出功率和热效率等。接着作出这些参数随时间变化的曲线。??此外，还讨论了工质的流量及上下流道的高度比对双流道ＰＶ／Ｔ集热器的动态性能的影??响。该双流道ＰＶ／Ｔ集热器截面结构如图２．１所示。其中：??■模式（ａ）：上下流道工质分别为水和空气，记为水－气冷型??■模式（ｂ）：上下流道工质分别为空气和水，记为气－水冷型??■模式（ｃ）：上下流道工质都为空气，记为气－气冷型??■模式（ｄ）：上下流道工质都为水，记为水－水冷型????Ｇｌａｓｓ?ｃｏｖｅｒ??Ｓｏｌａｒ?ｃｅｌｌ??Ｂａｃｋｐｌａｎｅ??Ｓｈｅｌｌ???—?ｗａｔｅｒ?ｆｌｏｗ??—??—?ａｉｒ?ｆｌｏｗ??—???—?ａｉｒ?ｆｌｏｗ??—??ｗａｔｅｒ?ｆｌｏｗ??—??（ａ）?（ｂ）???一?ａｉｒ?ｆｌｏｗ??—????ｗａｔｅｒ?ｆｌｏｗ??—

（ｃ）?（ｄ）??图２．９各模式工作流体出口温度随时间变化的曲线??热输出功率随时间变化的曲线如图２．１０所示。在这段时间内，四种模式下的热输出??功率几乎相等。趋势都是先升高后降低，在正午达到峰值。通过曲线局部放大图，还是??能看出水－水冷却模式在正午达到最大值，为９７８．３Ｗ。而气－水冷却模式为最小值??９５４．７Ｗ，两者之间相差２３．６Ｗ，仅不到２．５％。??１．０?????。８??Ｉ°４＿??ｈ?／?ｊ?ｙ?＼??Ｉ?Ｐ?ｙ?幽一ａｉｒ－ａｉｒ?＼??。？二?＿?／?ｗａｔｅｒ－ｗａｔｅｒ?＼??／?：?Ｘ??Ｑ?〇?■?Ｉ?ｉ?Ｉ?■?Ｉ?ｉ?曹?ｉ?Ｉ?？?Ｉ??６：００?８：００?１０：００?１２：００?１４：００?１６：００?１８：００??Ｔｉｍｅ??图２．１０热输出功率随时间变化的曲线??２６??

本文编号：2889248