【摘要】：面對日益增長的建筑能耗需求,太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源,將其與建筑相結(jié)合,是建筑節(jié)能的有效措施之一,也是太陽能應(yīng)用的重要方面。目前隨著人們生活水平的提高,對建筑能源供應(yīng)的需求越來越高。除了現(xiàn)有的對電力、熱水需求的增長,人們開始對太陽能建筑采暖、制冷、除濕等方面提出了要求,即需要更高品質(zhì)的熱源,尤其是在冬季或者輻照條件較弱的情況下。 聚光條件下的光電光熱綜合利用(Photovoltaic/thermal, PV/T)的提出為這一問題的解決提供了可能。然而,與建筑相結(jié)合的聚光器有其自身特點：第一,可以與建筑圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合,即要求固定安裝,而不需要跟蹤裝置或做季節(jié)性調(diào)整,從而可以使其與建筑圍護結(jié)構(gòu)相集成,進一步降低系統(tǒng)成本和裝置的運行維護費用,為聚光PV/T在建筑中普遍使用提供方便和可能；第二,固定安裝的聚光器必須有較大的接收半角,而接收半角與聚光比呈反比關(guān)系,因此,在確定接收半角的同時要盡可能的具有較大的聚光比,從而使聚光應(yīng)用更加具有優(yōu)勢,例如可產(chǎn)生更多的光電輸出或者更高溫度的熱源；第三,聚光條件下的光強分布應(yīng)盡量均勻,從而可以保證聚光條件下光伏電池具有較高的輸出特性,在相同聚光比的條件下為建筑提供更多的電力。 本文著眼于這一顯著的建筑能源需求和應(yīng)用前景,圍繞著以上的三點,開展了對建筑太陽能一體化中非跟蹤型聚光器的一系列理論優(yōu)化分析和實驗研究工作。研究工作主要包括以下幾個方面： 1)對現(xiàn)有的低倍復(fù)合拋物面聚光器(CPC)進行研究,包括實體CPC和鏡面CPC,結(jié)合折射和反射兩種聚光方式,提出了一種新型的Lens-walled CPC的結(jié)構(gòu)。針對2.5倍幾何聚光比和4倍幾何聚光比的Lens-walled CPC,采用光線跟蹤方式進行了不同入射角下的光學(xué)性能模擬,同時對相應(yīng)的聚光光強輻照分布進行了模擬。 2)選擇與Lens-walled CPC相匹配的成本較低、光學(xué)性能較好、材料屬性穩(wěn)定持久的折射材料研制了Lens-walled CPC-PV的模塊。采取室內(nèi)實驗和室外實驗相結(jié)合的方法,進行了Lens-walled CPC-PV、鏡面CPC-PV和實體CPC-PV三者的室內(nèi)對比實驗以及將Lens-walled CPC-PV按照南北方向和東西方向分別固定安置的室外測試實驗。 3)提出了帶空氣夾層的Lens-walled CPC結(jié)構(gòu),同時對Lens-walled CPC一系列幾何參數(shù)進行了優(yōu)化,以達到更高的光學(xué)效率。模擬了一年中不同月份,不同輻照強度條件下系統(tǒng)的光學(xué)性能,并建立了在不同方位角、高度角情況下的系統(tǒng)光學(xué)動態(tài)模型,為實驗提供理論依據(jù)。 4)通過采取方管直接層壓光伏電池的技術(shù),研制了Lens-walled CPC-PV/T結(jié)構(gòu),設(shè)計并搭建了可與建筑固定安裝的Lens-walled CPC-PV/T復(fù)合系統(tǒng)的實驗和測試平臺,并對該系統(tǒng)在合肥地區(qū)進行了測試研究。討論并分析了Lens-walled CPC-PV/T系統(tǒng)瞬時動態(tài)電性能和熱性能的變化以及全天的綜合性能,著重通過對比實驗從理論和實驗上分析了Lens-walled CPC-PV/T全天各個時間段的光學(xué)效率、電效率和熱效率,從實驗角度驗證了設(shè)計和優(yōu)化的合理性,為Lens-walled CPC-PV/T在建筑中的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 論文的主要創(chuàng)新點為： 1)將折射材料與CPC內(nèi)壁結(jié)構(gòu)相結(jié)合,提出了Lens-walled CPC結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)CPC相比,在相同的幾何聚光比條件下具有更大的接收半角；同時由于接收半角的增加,可以吸收更長時間的輻照,電池的單位面積發(fā)電量增加,從而提高了系統(tǒng)的性價比。 2)優(yōu)化了Lens-walled CPC模塊,利用全反射進一步提高了聚光器的光學(xué)效率,同時該結(jié)構(gòu)也改進了鏡面CPC的聚光光強分布,更有利于聚光條件下光電轉(zhuǎn)換效率的提高,從而使Lens-walled CPC明顯優(yōu)于鏡面CPC。 3)將新型復(fù)合聚光系統(tǒng)和PV/T的優(yōu)點相結(jié)合,利用透鏡折射聚光和復(fù)合拋物面反射聚光的共同作用,在保證聚光效率的前提下,不需要跟蹤機構(gòu)、運動部件的前期投入和維護保障,對太陽能建筑一體化中非跟蹤型聚光光電光熱系統(tǒng)的性能測試進行了初步探索。 4)在制作工藝方面,選取了方管上表面直接層壓光伏電池的方式,避免了傳統(tǒng)工藝上的鋁板層壓電池后再焊接冷卻管的工藝步驟,為系統(tǒng)的可靠性和初投資的經(jīng)濟性以及可行性分析提供了依據(jù)。 5)由于lens-walled CPC-PV/T完全不需要跟蹤,可與建筑的結(jié)構(gòu)特點相結(jié)合,安置在屋頂或墻壁,避免了一般聚光裝置與建筑結(jié)合較難、跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜、以及初投資較大問題：同時系統(tǒng)中的聚光裝置可以有效提高PV/T中的熱能輸出溫度,使得PV/T在為建筑提供光伏電力和生活熱水以外,也可為建筑提供冬季采暖和夏季熱驅(qū)動制冷所需的較高溫度的熱源,從而提高系統(tǒng)潛在的應(yīng)用前景,也為聚光型建筑光電光熱系統(tǒng)的推廣應(yīng)用做出有價值的探索。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TK513.1

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