光伏光热一体化组件性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 1.15MB 67 页 15积分

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摘要

当今社会飞速发展，随之而来出现了能源短缺、环境污染等一系列问题，

开发和利用新型清洁能源成为制约经济发展的重大瓶颈。太阳能光伏光热一体

化系统是对太阳能发电和太阳能热水的综合利用，是未来对太阳能能源利用的

趋势。

本课题针对一种光伏光热一体化组件主要做了如下工作：

（1）对光伏光热一体化组件的传热过程进行分析，在平板集热器传热模型

的基础上建立了一体化组件的传热模型，用以计算一体化组件的热效率；并对

光伏电池效率与电池板温度的关系进行分析。

（2）搭建光伏光热一体化组件性能测试实验台，并在一体化组件两端串联

标准电阻形成电回路。利用恒温水浴装置调节一体化组件进水温度，通过旋转

支架调节一体化组件倾角，调节旁通装置控制系统流量。对不同工况下一体化

组件的热性能以及输出电性能进行测试。

（3）对实验数据进行分析，讨论了一体化组件进水温度、倾角、流量及室

外气象参数对其热、电性能的影响，分析其运行时各性能对应的最佳工况，引

入一体化组件综合性能效率，分析综合性能对应的最佳工况。

通过理论计算数据和实验测试数据的分析可以得出如下结论：

（1）实验时将 50Ω 标准电阻串联在一体化组件两端，控制流量 120L/h，

倾角 30°，调节进口水温，测得 30℃工况下一体化组件拥有最优的热效率值和

输出电功率值，其日总热效率为 35.97% ，对应的输出电功率范围为

29.40~30.51W。

（2）控制流量 120L/h，进口水温 35℃，调节组件倾角，测得 45°倾角放置

的一体化组件可接受到较多的太阳辐照度，且具有最优日总热效率为 32.65%；

而串联 50Ω 标准电阻时倾角对一体化组件输出电功率的影响不大，可忽略。

（3）控制 0°倾角，35℃进口水温，调节系统流量，测得流量 85L/h 工况下

一体化组件拥有最优的日总热效率 25.89%；串联 50Ω 电阻时组件的输出电功率

随流量的增大而增大，流量 120L/h 工况下组件输出电功率值范围为

24.02~29.19W。

（4）分析日总综合效率可得调节进口水温的测试中，Ti=30℃工况是一体

化组件的最佳运行工况，对应的日总综合效率为 43.69%；调节组件倾角的测试

工况中，45°倾角工况是一体化组件的最佳运行工况，对应的日总综合效率为

41.35%；在所进行的调节流量的测试工况中 85L/h 工况是一体化组件的最佳运

行工况，对应的日总综合效率为 43.69%。

关键词：光伏光热一体化组件理论模型实验测试数据分析

ABSTRACT

With the rapid development of our society, problems such as energy shortage,

environmental pollution have emerged. Finding new clean energy resource becomes

the major bottleneck which restrict the development of the economy. As a

comprehensive utilization of solar energy, PV/T system is the future trend of solar

energy using.

This topic based on a PV/T component, mainly did the following work:

(1) Analyzed the heat transfer process of the PV/T component, then established

its heat transfer model on the basis of the flat plate collector heat transfer mode, which

was used to calculate thermal efficiency of the PV/T component and analysis the

relationship between the temperature and efficiency of pv cells.

(2) Built an experimental laboratory which with an standard resistance in the two

ends of pv cells to test the thermal and photovoltaic capacities. Control the inlet fluid

temperature, the dip angle and the flow rate of the PV/T system, tested different

capacities of the component with different working conditions.

(3) Analyzed the experimental data and discussed the influence of the PV/T

component capacities which were caused by different inlet fluid temperature, angle,

flow rate and the environment temperature. Then get the best working condition of the

PV/T component. Introduce integrated performance, and find the corresponding best

working condition.

By comparing theoretical calculation data and experimental test data can get the

conclusion as follows:

(1) Put a 50 Ω standard resistor in series at both ends of the integration

components, control the flow of 120L / h, inclination of 30 °, change the inlet

temperature and we get that at 30 ° C inlet temperature the integration components

with optimal value of both thermal efficiency and output power,the total thermal

efficiency of 35.97%, corresponding to the output power range to 29.40 to 30.51W.

(2) Control the flow of 120L / h, inlet temperature of 35 ° C, change the

inclination and we get that at the angle of 45 ° the integration component accepted the

most solar irradiance and optimal total thermal efficiency of 32.65%; angle has little

effect on the output power of integrated components when series a 50Ωstandard

resistor.

(3) Control the angle of 0 °, inlet temperature of 35 ° C, change the system flow

rate, we can get that 85L / h flow rate is the optimal conditionfor the integration

component,with the day total thermal efficiency of 25.89%; when series a

50Ωstandard resistor the component output power increases with the flow increasing,

theoutput power range at 120L / h condition is 24.02 ~ 29.19W.

(4) Analysis of the total efficiency, the inlet temperature at Ti = 30 ° C is the best

operating condition of integration components, corresponding to the total overall

efficiency of 43.69%; as the inclination at 45 ° angle is the best operating condition of

the integrated components, corresponding daily total efficiency of 41.35%; the flow

rate at 85L / h is the best condition of the integration components, corresponding to

the total efficiency of 43.69%.

Key Word: PV/T component ，theoretical modeling, experimental

test, data analysis

目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章绪论.......................................................1
1 我国的太阳能资源.........................................1
2 课题研究背景.............................................2
2.1 太阳能热水系统.....................................2
2.2 太阳能光伏.........................................4
2.3 太阳能光伏光热一体化...............................7
3 本文主要工作.............................................11
第二章 PV/T 组件数学模型的建立...................................12
1 所研究 PV/T 一体化组件的结构形式..........................12
2 PV/T 一体化组件的能量转换过程分析........................13
3 数学模型的建立...........................................14
3.1 PV/T 一体化组件的热性能分析模型....................14
3.2 PV/T 一体化组件的电性能分析........................20
3.3 PV/T 一体化组件的综合性能分析......................22
3.4 PV/T 一体化组件传热数学模型的求解[46]..............23
4 本章小结................................................25
第三章 PV/T 一体化组件性能实验研究...............................27
1 PV/T 一体化组件的结构及尺寸..............................27
2 实验目的................................................29
3 实验原理................................................29
3.1 PV/T 组件热性能测试................................30
3.2 PV/T 组件电性能测试................................30
4 实验系统介绍............................................31
4.1  实验装置介绍.....................................31
4.2  测量参数及所用仪表...............................33
5 实验方案................................................35
5.1 实验内容..........................................35
5.2 实验工况的确定....................................35
6 本章小结................................................36
第四章 PV/T 一体化组件实验数据分析...............................38
1 辐照度及室外温度对 PV/T 一体化组件热、电性能的影响........38
2 热性能实验数据分析......................................41
2.1 不同进口水温时一体化组件热性能实验数据分析........41
2.2 不同倾角时一体化组件热性能实验数据分析............44
2.3 不同流量时一体化组件热性能实验数据分析............47
3 电性能实验数据分析.......................................49

3.1 不同进口水温时一体化组件电性能实验数据分析........49
3.2 不同倾角时一体化组件电性能实验数据分析............51
3.3 不同流量时一体化组件电性能实验数据分析............52
4  一体化组件综合性能数据分析.............................54
5 本章小结................................................55
第五章结论与展望................................................57
1 本文工作总结............................................57
2 本课题的展望与建议......................................57
参考文献........................................................59

第一章绪论

1.1 我国的太阳能资源

我国的太阳能资源十分丰沃，据有关报告，我国仅陆地每年接收到的太阳辐射

能约为 50x1018kJ ，全国各地太阳年辐射总量达928~2333KWh/m2，中值为

1626KWh/m2，具有很大的开发潜力和非常广阔的应用前景。我国太阳能资源的

分布如图1-1：

图1-1 我国太阳能资源分布图

由上图可以看出，我国太阳能资源分布的高值中心和低值中心都处在北纬

22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，

西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北

部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬 30°～40°地区，太阳能的分布情况与一

般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是

随着纬度的增加而增长。按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地

区：

表1-1 我国太阳能资源分类

光伏光热一体化组件性能研究

地

区

年日照时

数（h/a）

年辐射总量

（MJ/m2·a）

等量热量所需

标准燃煤

（kg）

包括的主要地区备注

一

类

3200-3300 6680-8400 225-285 青藏高原、甘肃北部、

宁夏北部和新疆南部、

青海西部

最丰

富地

区

二

类

3000-3200 5852-6680 200-225 河北西北部、山西北

部、内蒙古南部、宁夏

南部、甘肃中部、青海

东部、西藏东南部和新

疆南部

较丰

富地

区

三

类

2200-3000 5016-5852 170-200 山东、河南、河北东南

部、山西南部、新疆北

部、吉林、辽宁、云

南、陕西北部、甘肃东

南部、广东南部、福建

南部、江苏北部和安徽

北部

中等

地区

四

类

1400-2000 4180-5016 140-170 长江中下游、福建、浙

江和广东的部分地区

较差

地区

五

类

1000-1400 3344-4180 115-140 四川、贵州两省最差

地区

太阳能资源作为新型的清洁能源，是缓解环境污染、能耗危机扥问题的重要突破

方向，如何根据我国实际分布情况对太阳能资源进行合理利用，是未来太阳能研

究的重点方向。

1.2 课题研究背景

1.2.1 太阳能热水系统

太阳能热水系统是指由太阳能集热器把采集到的太阳辐射能量转换为热量

储存在热水中的一种系统，是目前社会对太阳能热利用方式中发展的最完善、

应用最广泛的系统。自1979 年从国外引进全玻璃真空管到1986 年研制出我们

自己的产品，我国的太阳能热水系统较世界上其他国家来讲起步较晚，但近年

来太阳能行业迅猛发展，相关数据表明我国在 2007 年时太阳能热水器的年产

量达到2340 万m2，总保有量约为 10800 万m2，我国目前已经成为世界上最大

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摘要：

摘要当今社会飞速发展，随之而来出现了能源短缺、环境污染等一系列问题，开发和利用新型清洁能源成为制约经济发展的重大瓶颈。太阳能光伏光热一体化系统是对太阳能发电和太阳能热水的综合利用，是未来对太阳能能源利用的趋势。本课题针对一种光伏光热一体化组件主要做了如下工作：（1）对光伏光热一体化组件的传热过程进行分析，在平板集热器传热模型的基础上建立了一体化组件的传热模型，用以计算一体化组件的热效率；并对光伏电池效率与电池板温度的关系进行分析。（2）搭建光伏光热一体化组件性能测试实验台，并在一体化组件两端串联标准电阻形成电回路。利用恒温水浴装置调节一体化组件进水温度，通过旋转支架调节一体化组件倾角，调节旁通...

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