近年來,隨著環(huán)境問題日益突出,環(huán)境治理和節(jié)能減排成為我國從上到下廣泛關注的問題。發(fā)展可再生能源利用技術,降低化石能源在我國能源結構中的比重對我國經濟的可持續(xù)發(fā)展有重大意義。太陽能因其分布廣泛、利用方便、清潔無污染而成為減少傳統(tǒng)化石能源利用后的重要替代能源。同時太陽能能量密度較低的特點也決定了其需要占用大量的面積。建筑能耗在社會總能耗中占有重要比重。將太陽能與建筑相結合,不占用額外面積,直接在用戶端產生的熱能和電能,滿足建筑中多種用能需求,符合分布式能源就地利用的原則,是太陽能利用的理想方式之一 太陽能光伏光熱綜合利用(Photovoltaic/Thermal)技術是將太陽能光熱利用和光伏發(fā)電技術有機結合,在光伏電池組件中引入冷卻流體,不僅可以降低光伏電池溫度,提高光伏效率,同時可以將吸收的熱能搜集起來加以利用,提高系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率。按照冷卻工質的不同,PV/T集熱器主要可以分為PV/T空氣集熱器和PV/T熱水集熱器兩種。對于PV/T空氣集熱器,非采暖季時由于對熱空氣沒有需求,其集熱功能往往處于閑置狀態(tài)。在沒有冷卻工質將熱量帶走的情況下,高溫不僅影響光伏電池發(fā)電效率和壽命,而且積聚的熱量還會導致建筑過熱,增加建筑的制冷負荷。而對于PV/T熱水集熱器,在寒冷季節(jié)使用時容易因系統(tǒng)內水凍結導致管路或集熱器損壞。解決防凍問題,一般采用排空法或者防凍液二次循環(huán)法,但都需要增加投資和系統(tǒng)復雜度,而且會增加運行維護的負擔。而相比太陽能熱水,太陽能采暖在冬季是更方便、更具有實際意義的利用方式。針對兩種PV/T集熱器在全年利用時間上的互補性,本文提出了一種多功能太陽能PV/T集熱器。多功能PV/T集熱器是在傳統(tǒng)管板式PV/T熱水集熱器的基礎上,在吸熱板背面引入空氣流道,使其可以工作于光伏／空氣集熱和光伏／水集熱兩種工作模式。根據(jù)不同季節(jié)的環(huán)境條件和用能需求,多功能PV/T集熱器可以通過兩種工作模式的合理切換,實現(xiàn)太陽能的全年高效利用。 本文的研究內容主要包括以下幾個方面： (1)設計并制作了具有光伏／空氣集熱和光伏／水集熱兩種工作模式的太陽能PV/T集熱器,分別搭建了光伏／空氣集熱模式實驗平臺和自然循環(huán)式與強迫循環(huán)式的光伏／水集熱模式實驗平臺。實驗平臺可以實現(xiàn)不同流量、不同進口溫度、不同初始條件下的集熱器光伏光熱性能測試。 (2)對集熱器的光伏／空氣集熱模式和光伏水集熱模式分別進行了實驗測試,分別與傳統(tǒng)太陽能集熱器和PV/T集熱器進行比較分析。結果顯示,光伏／空氣集熱模式下,集熱器全天光熱效率可達40.1%,全天光伏效率可達10.16%。通過對不同空氣流量下集熱器瞬時效率的測試得到空氣流量由0.0226kg/s增加至0.039kg/s時,截距光熱效率由37.4%升高至46.4%,集熱器總熱損系數(shù)由5.21W/(m2.K)增加至8.00W/(m2·K)。在進口空氣溫度高于環(huán)境30℃的情況下,集熱器的瞬時光熱效率和光伏效率可以達到16.18%和9.03%。光伏/水集熱模式下,集熱器瞬時光熱效率截距56.6%,總熱損系數(shù)為6.08W/(m2·K),光伏效率約為11.5%。自然循環(huán)光伏/水集熱系統(tǒng)全天截距光熱效率為36.4%,總熱損系數(shù)為0.115MJ/(m2·K)。通過比較集熱器光伏/空氣集熱模式、光伏/水集熱模式和單獨光伏發(fā)電模式的吸熱板溫度可知,多功能太陽能PV/T集熱器全年集熱并冷卻光伏電池的特點不僅提高了PV/T集熱器全年利用效率,同時對提高光伏電池壽命有重要意義。通過與近五年文獻中提到的傳統(tǒng)集熱器和PV/T集熱器性能進行比較表明,多功能PV/T集熱器光伏光熱性能較好,具有綜合性能優(yōu)勢。 (3)針對多功能PWT集熱器的兩種工作模式,分別建立了光伏/空氣集熱模式的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型和光伏/水集熱模式的動態(tài)數(shù)學模型,對集熱器兩種工作模式下的光伏光熱性能進行了計算,并進行了實驗驗證。結果顯示,光伏/空氣集熱模式下,光伏電池溫度與吸熱板溫度的均方根誤差為4.1%和4.6%,集熱器出口溫度的均方根誤差為8.3%,集熱器光熱效率和光伏效率的相對誤差分別為2.6%和8.2%；光伏/水集熱模式下,光伏吸熱板溫度的均方根誤差為3.2%,集熱器進口溫度和出口溫度的均方根誤差分別為4.6%和4.7%,集熱器光熱效率和光伏效率的誤差分別為3.1%和6.7%。理論模擬結果與實驗結果基本吻合,模型可以準確預測集熱器光伏光熱性能。 (4)模擬研究了不同運行參數(shù)對于集熱器光伏光熱性能的影響,對多功能PV/T集熱器應用于合肥、北京、西寧三個不同氣候地區(qū)的全年性能進行了預測,得到集熱器全年光熱效率分別為38.5%、38.9%和40.1%。分析了與坡屋頂建筑相結合情況下集熱器運行于冬季采暖模式和夏季制熱水模式的性能和對建筑負荷的影響。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TK513.1
【部分圖文】：

然而由于我國化石能源的儲量特性，長期以來能源消費都以煤炭為主，石油次之，天然氣最少。我國目前能源結構如圖1.1所示，煤炭、石油、天然氣等化石燃料消費占到我國一次能源消費總量的90%,其中僅煤炭就占到67.5%。太陽能、風能、生物質能僅占能源消費總量的1.2%?目前我國已采取措施降低煤炭消費比重，提高天然氣消費比重，發(fā)展核電和可再生能源技術。2013年，我國可再生能源裝機容量占中國發(fā)電裝機容量的比重超過20%,占世界可再生能源發(fā)電量的24%。大然'C可再生能源核能水電 S.10%— 1.50% 0.88%圖1.1我國能源結構[i]4.能源利用水平低。我國目前的產業(yè)結構中第二產業(yè)尤其是高耗能產業(yè)占據(jù)較大比重，能源利用技術與發(fā)達國家有較大差距。目前，我國單位國內生產總值（GDP)能耗大約為世界平均水平的兩倍。在我國能源結構以煤炭為主的背景下，煤炭開采效率低和燃煤設備技術落后是重要原因。因此，優(yōu)化能源結構，提高清潔能源在我國能源結構中的比重，發(fā)展可再生能源技術，不僅關乎人民健康生活和經濟可持續(xù)發(fā)展，更關系到國家安全。新世紀以來

1500 kWh/m2。我國太陽能資源分布整體呈現(xiàn)的特點是西部地區(qū)高于東部地區(qū)，高海拔地區(qū)高于低海拔地區(qū)，具體分布情況如圖1.2所示。按照太陽能水平面年總輻照量的不同劃分標準，我國太陽能分布一般被分為四個或五個等級。除四川東部、重慶、貴州因氣候潮濕多雨太陽能輻照較少外，全國絕大部分地區(qū)均為年總輻照超過1050 kWh/m2的太陽能豐富區(qū)。尤其青藏高原地區(qū)海拔高、諱度低、日照時間長，太陽能資源最為豐富，年總輻照量在1800kWh/m2以上，其中部分地區(qū)甚至超過了 2000kWh/m2。3

最新光伏電池實驗室效率[5】多年以來，歐盟、美國以及日本等發(fā)達國家都將光伏發(fā)電作為可再生能源技術的重要領域，制定了中長期發(fā)展目標，并通過政策支持和財政補貼推動光伏產
【參考文獻】

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1 張霖;;高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)建筑設計思路[J];建筑節(jié)能;2012年01期

2 朱姝妍;高輝;馬辰龍;;太陽能熱水系統(tǒng)在醫(yī)療建筑中的設計應用——以2013年臺達杯競賽優(yōu)秀獎方案為例[J];建筑節(jié)能;2014年02期

3 季柳金;朱妍;黃凱;羅迎賓;;太陽能熱水系統(tǒng)建筑應用項目能效測評分析研究[J];建筑節(jié)能;2013年10期

4 蘆潮,唐汝寧;高寒地區(qū)附加陽光間式太陽房的節(jié)能分析[J];節(jié)能;2005年07期

5 葛新石;直接收益式被動太陽房的輻射特性分析[J];太陽能學報;1981年01期

6 陸維德,李軍,吳京生;直接收益式被動太陽房的熱工設計研究[J];太陽能學報;1986年03期

7 劉加平,楊柳;零輔助能耗窯居太陽房熱工設計[J];太陽能學報;1999年03期

8 劉艷峰;劉加平;楊柳;李靜;;拉薩地區(qū)被動太陽能傳統(tǒng)民居測試研究[J];太陽能學報;2008年04期

9 常烜宇;李勇;代彥軍;王如竹;;我國主要屋頂綠化工程及太陽能集熱器施工規(guī)范比較研究[J];太陽能;2014年12期

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2 馬進偉;太陽能空氣集熱及雙效集熱模塊的實驗和理論研究[D];中國科學技術大學;2013年

本文編號：2839543