【摘要】：本文基于太陽能光伏光熱綜合利用技術,從經(jīng)濟性、實用性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度出發(fā),解決現(xiàn)有碟式聚光PV/T (photovoltaic/thermal)系統(tǒng)中存在的問題,取得了整套系統(tǒng)獨立研發(fā)技術,提出了新型的高倍聚光GaAs發(fā)電供熱系統(tǒng)。采用液體冷媒強化冷卻高能流密度下GaAs電池的同時,收集熱能加以利用。 針對目前碟式聚光技術存在聚光器造價高,制作工藝復雜,光強分布不均勻的問題,在碟式系統(tǒng)中采用“化整為零”的思想,嘗試利用平面玻璃分段式逼近拋物面的聚光方式來替代連續(xù)曲面的聚光方式,具有加工制作難度小、聚光光強分布均勻性好等優(yōu)點,可極大地提高電池組件的光伏輸出效率和運行安全性。針對400倍以上太陽聚光的高能流密度(40W/cm2),本文研制新型復合式接收器,通過特殊設計的微通道強化傳熱、噴射流動等方式來增強冷媒對光伏電池的冷卻效果,冷卻光伏電池的同時將熱能加以收集利用,提高系統(tǒng)的太陽能綜合利用率。 結(jié)合高倍碟式聚光GaAs發(fā)電集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及運行機理,采用理論模擬和實驗研究相結(jié)合的方法,對高倍聚光條件下的多碟共焦和多平面鏡線性組合兩種聚光構(gòu)件的反射、聚焦以及光強分布的均勻性等光學特性分別進行研究。對多碟共焦聚光構(gòu)件,研究了圓形、矩形、六邊形和八邊形四種形狀子碟的幾何聚光特性,給出了各形狀子碟的面積效率因子,研究結(jié)果表明矩形開口面較適合做為子碟聚光構(gòu)件。運用TracePro分析了9個矩形子碟構(gòu)成的聚光器的聚光特性,并試制出樣機。對多平面鏡組合聚光器構(gòu)件,從鏡陣中鏡面數(shù)量、焦距、平面鏡尺寸等相互耦合的方面研究了其聚光特性,結(jié)合余弦效率概念,分析了焦平面處的能流分布情況,給出了多平面鏡線性組合的最優(yōu)設計參數(shù),并成功試制出樣機。 對高倍聚光后處于高熱流密度條件下的復合接收器的傳熱機理及流場特性進行理論模擬和實驗研究。運用Fluent軟件對噴射/微通道復合式接收器建立仿真模型,并與實驗進行對比,模擬計算了接收器換熱性能,最后通過在樣機上實驗測試確定其工作性能。建立直流微通道式換熱器熱阻模型,通過理論計算優(yōu)化了接收器設計參數(shù),并根據(jù)理論計算得出的參數(shù)制作了該種冷卻接收器,在聚光器樣機上測試其性能。 搭建了碟式聚光PV/T系統(tǒng)試驗測試平臺,對高倍聚光后PV/T系統(tǒng)熱、電性能進行了初步實驗研究,初步實驗獲取的系統(tǒng)平均瞬時熱效率為35.9%,最高瞬時效率為47.8%；系統(tǒng)電池瞬時發(fā)電最大效率為16.99%,平均效率15.67%；最大輸出功率為50.48W,平均輸出功率46.67W,填充因子最大為71.17%。 建立了PV/T系統(tǒng)的理論計算模型,對聚光后系統(tǒng)的熱性能以及處于高光強條件下的GaAs電池輸出特性進行研究。研究了影響系統(tǒng)熱效率的幾個關鍵因素,為進一步優(yōu)化系統(tǒng)熱性能提供了參考。利用Matlab/Simulink軟件平臺建立電池陣列模型,對不同光照強度和不同工作溫度下的聚光GaAs電池陣列輸出特性進行研究,預測了系統(tǒng)在正常情況下發(fā)電功率能達到1.5kW。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TK515;TM615

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