基于薄板线性菲涅尔透射聚光的PV/T系统研究

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当今社会环境污染日益严峻,能源危机迫在眉睫,新能源的开发与利用成为全人类的关注热点。而太阳能因其分布广、可再生、清洁等特点,成为新能源中的研究重点。在太阳能的开发利用过程中,光伏发电技术和太阳聚光发热技术一直是太阳能应用研究中最为重要的两个方向。而聚光光伏发电发热一体化太阳能应用技术可以一方面提高电池单位面积的能流密度,提高电池发电效率,减少电池应用面积,另一方面也可以通过冷却系统将太阳能转化的热能收集起来,以提升PV/T系统的综合利用效率。本文在总结分析了现有的太阳能透射式PV/T系统研究成果之后,提出了一种基于薄板线性菲涅尔聚光器的新型PV/T系统,设计了实验装置,并对装置的性能进行了详细的理论分析和系统仿真。最后对装置进行了实验测试,并将实验结果与理论结果进行了对比,指出了系统改进的方向。本文的主要研究内容如下:完成薄板线性菲涅尔聚光器的设计与光学仿真,得到系统接收效率随方位角和高度角跟踪误差的变化情况;对二次聚光器进行了设计与光学仿真,将CPC结构的二次聚光器与菲涅尔聚光器相结合,通过光学仿真可知当装置南北放置时,高度角跟踪偏差在0°-15°范围,和方位角跟踪偏差为0°-0.4°范围内时,聚光器的接收效率可以保证在80%以上;并考虑到聚光电池的选型,理论分析了系统对跟踪角度的要求;设计了基于热能回收的冷却系统。建立了薄板线性菲涅尔透射聚光的PV/T系统的数学模型。利用matlab对模型进行求解,得到在不同太阳辐照强度下,砷化镓聚光电池温度和铝均热板温度的变化情况,以及通过计算得出系统热电效率和综合利用总效率随太阳辐照度的变化。对基于薄板线性菲涅尔聚光器的透射聚光PV/T系统进行了试验研究。测试了聚光电池组在聚光和非聚光情况下的伏安特性、在不同辐照值情况下的伏安特性、不同负载阻值情况下的输出功率。以及在实际天气中测试了聚光和非聚光条件下电池温度随辐射强度的变化情况,在聚光情况下电池的短路电流与辐照度的关系、开路电压与电池温度的关系,也测试了薄板线性菲涅尔聚光镜在不同弯曲状态以及实际天气条件下的光斑情况。最后针对PV/T系统,测试了热管式铝均热板的温度分布,以及系统在实际天气条件下热电功率、热电效率以及综合利用总效率等热电性能的变化情况,并对系统热管式铝均热板温度、热电效率、总效率的实验值与仿真值进行对比分析。测试结果显示:在中午时刻,我们的系统热效率达到最高约为32.0%,系统电效率达到最高约为25.0%,系统总效率达到最高约为57.0%。
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