太阳能光伏电—热系统散热侧热损失机制和特性研究

发布时间：2020-10-13 15:00

　　 由于能源危机和环境问题日益严峻,通过光伏发电技术对太阳能进行能量转换是可再生能源的重要利用方式之一。其中,集产电和集热于一体的太阳能光伏电-热系统(PV-T)将未利用的热量及时带走,控制了PV电池工作温度,使太阳能综合利用效率明显提高,已成为太阳能利用技术中的研究热点之一。为提高系统热性能,大多在PV电池上部加装玻璃盖板,从而形成了有封闭腔体的PV-T系统散热侧。由于外界环境的存在,PV-T系统散热侧存在各种形式的热损失,将直接影响整个系统的综合利用效率。因此,对PV-T散热侧的研究是提高系统性能的重点和难点。此外,若将PV-T系统的集热量通过温差发电器再次转化为电能,则构成了光伏-温差发电复合系统(PV–TE)。近年来在热电材料方面的研究进展,使得PV-TE系统的关注度快速提升。本文对PV-T系统散热侧的热损失机制和特性进行系统的研究。首先,对于无玻璃盖板的PV-T系统,通过数值模拟研究倾角、环境风、不同热边界条件等对PV板对流传热的影响,得到了耦合多种参数的对流Nusselt数关联式。同时,搭建相关实验台,用电加热的方法模拟PV板热损失,揭示无/有风环境下的散热机理。然后,针对有玻璃盖板的PV-T系统,对由玻璃盖板和PV板构成的封闭腔体内的传热过程分别进行二维和三维数值模拟。二维模拟中,讨论PV电池布置方式、光学常数等对流动和传热的影响;在三维模拟中,讨论初始条件和热边界条件等对流动稳定性的影响,并逐步分析从稳态到混沌态过程中的流型转变和特征。在此基础上,又对同时耦合腔体内部和外部的传热过程进行二维数值模拟,分析耦合传热在各参数下对腔体内部、外部Nusselt数、总热损失系数以及PV电池“热点”温度的影响;同时,在腔体内部加入肋片,比较有/无肋片腔体的传热性能差异。最后,提出在PV-TE上部加入玻璃盖板且采用纳米流体冷却,借助数值计算结果,对PV-TE系统进行数学建模,对比有/无盖板的系统电性能,讨论一些重要参数的耦合作用对效率的影响。本文一方面可丰富和发展PV-T系统散热损失理论,另一方面为PV-T和PV-TE系统的结构设计和性能改善提供科学依据。主要研究结果如下:(1)对于无玻璃盖板的PV-T系统散热侧,三维数值结果表明,相较于恒热流,考虑光电转换特性的边界条件对对流Nusselt数(Nuc)的影响不大,但热流云图却显示出完全相反的分布。Nuc随倾角总是先降低至临界最低值后升高,且此临界值随着风速的增加向高角度移动。风向角对对流传热的影响随倾角而变,倾角为30°、45°时,风向角对Nuc基本上起促进作用,而其它倾角下Nuc呈先降低后升高的趋势,这是由于环境风入射角和环境风偏向角的共同作用。热流密度对对流传热的影响仅在风速较小时明显,而无论风速如何均显著增强了辐射换热。此外,实验结果指出,无风环境下,均匀热流时的Nuc在低倾角时始终较高,随着热流梯度参数的增加,各倾角下Nuc的差距将逐渐缩小;有风环境下,迎风时的Nuc较高,背风时的Nuc随倾角始终呈下降趋势。(2)对于有玻璃盖板的PV-T系统散热侧腔体,二维模拟显示,大多数工况中腔体内的空气流动皆处于稳定状态;辐射换热量占有较大比重,增加折射指数或减小吸收系数均可使辐射Nusselt数降低。三维模拟则表明,大多数工况的结果均为非稳态;取决于初始条件,在临界稳定角附近的流态转变可能出现迟滞现象;随着倾角的降低,流型逐渐经历由周期性流动、多模式流动至混沌流的转变。(3)对于同时耦合腔体内部和外部传热过程的二维模拟,结果表明:PV电池“热点”温度的分布受倾角和风速的共同影响。不同于腔体内部对流Nusselt数的阶跃变化特征,总热损失系数在大部分角度区间的变化均比较平缓。肋片的加入有效降低了PV电池的最高温度,使温度分布更加均匀,当倾角较高时,PV电池间“热点”温度的差值减小,但肋片长度对腔体传热的影响有所差异。当肋片较长时,腔体内的对流传热Nusselt数在较大倾角范围内几乎都有所提高,而其总换热能力却相对被抑制。(4)对于PV-TE系统的理论分析,有/无玻璃盖板系统的对比结果表明,取决于PV电池温度系数和热电材料品质因数,系统电效率随聚光比的增大可增加、可降低、可保持不变;当品质因数较大时,有玻璃盖板的系统效率在某一临界聚光比后将大于无玻璃盖板系统。此外,相较于纯水,纳米流体有效促进了电效率的提高。纳米流体流速对系统电效率始终起促进作用,而环境风速的影响则较复杂。当温度系数较大而品质因数较小时,风速的增加提高了系统效率;然而,随着温度系数的减小,电效率与风速将始终呈负相关关系。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK51
【部分图文】：

图 1.1 无玻璃盖板（左）和有玻璃盖板（右）的 PV-T 系统剖面图Fig.1.1 Cross-sectional view of unglazed (left) and glazed (right) PV-T systems表 1.2 PV-T 和 PV-TE 的比较Table 1.2 Comparison of PV-T and PV-TE较参数 PV-T PV-TE计 设计简单，配置完善，多种结构设计以满足不同市场需求静态装置，研究中，致力于总能量出最大化本 被动冷却系统：总成本较小；强制冷却系统：需泵以驱动冷却剂，泵及控制装置需额外的成本；TE 的初始成本较高，TE 的产出能至今经济性不高护 冷却流体系统需每年维护 无冷却系统，无需维护用条件 适用于发电能力低于 10kW 的中型和大型分布式能源适用于发电能力低于 2kW 的系统，TE 产生的能量仅占总产能的 5-13%最大效率为 12%收期 12-17 年[30]10-15 年

将对有玻璃盖板和无玻璃盖板的 PV-T 系统散热特性进行详细阐E 系统的研究现状也做一论述。-T 系统散热特性研究现状无玻璃盖板的 PV-T 系统，在实际运行过程中通常置于有风环境存在 PV 板表面的强制对流-热辐射耦合传热过程，相关的文献节中。 1.2 所示为有玻璃盖板的 PV-T 系统散热侧示意图，由封闭腔体成。封闭腔体底部为太阳能电池板，顶部为玻璃盖板，与水平体倾角 。考虑到 PV 电池和玻璃盖板表面的辐射特性，PV-T是一个由腔体内部的自然对流-热辐射耦合和腔体外部的强制成的串联过程。鉴于同时考虑这两个传热过程的相关文献较少对腔体内部传热的研究现状做一详尽阐述（见 1.2.2、1.2.3 节）耦合传热的文献进行分析（见 1.2.4 节）。

0.5m/s、辐射强度 600W/m2时 BIPV 表面温度云图的实验和mparison of the temperature contours of the front surface of the Bl (top) and computational (bottom) studies when upstream velocityradiation intensity is 600W/m2[66] 1.4 分别对线性和指数形式下的部分对流传热系数关表 1.3 环境风下对流传热系数(W/m2K)的线性形式: hw=a+bv Linear equation form of the wind convection coefficient (W/m2Ka b 相关说明2]5.8 3.95 风洞测量，平板，平行流，v<5m/s[67]5.7 3.8 风洞测量，平板，光滑表面，平行流，6.2 4.3 风洞测量，平板，粗糙表面，平行流，]6.05 4.08 风洞测量，垂直平板，粗糙表面，v≤5m
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

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本文编号：2839321