蓄能材料对内插热管式太阳能热泵系统冬季性能的影响

为充分利用太阳能,提高太阳能热泵系统能效比,该研究提出了一种蓄能型内插热管式太阳能热泵系统,可实现太阳能分季节最大化利用。搭建了系统性能试验台,在南京地区开展了2 a的试验研究,对比分析了相近环境条件下充灌或未充灌相变材料的系统瞬时集热效率、平均集热效率、系统性能系数和供水水温等随太阳辐射波动性的变化规律。结果表明在与冬季白天相近的太阳辐射强度、太阳辐射波动性和环境温度下,充灌相变材料系统的瞬时集热效率波动性比未充灌的系统降低近60%,平均集热效率较未充灌的系统提高25%以上。夜间工况下,充灌相变材料系统的COP(coefficient of performance)可达3.0以上,且能更快达到供热水温50℃,时间缩短20%以上。研究结果可为太阳能热泵系统的推广应用提供参考。     

温室聚光光伏/温差联合发电系统的设计与性能试验

为解决温室常规能源供电能耗大及太阳能供电模式利用效率低的问题,该文根据温室特点设计了CPC(compound parabolic concentrator)型聚光光伏/温差联合发电系统,利用CPC型聚光器进行聚光,建立光伏、温差联合发电模式,采用扁平热管作为传热元件,利用水对流给系统冷却。为测试温室聚光光伏/温差联合发电系统性能,对系统的能量转换进行了分析,分析不同光辐射强度、冷却水流量对系统的影响。同时搭建了系统的试验平台,对水冷扁平热管型CPC-PV/TE联合发电系统(compound parabolic concentrator-photovoltaic/thermoelectric hybrid power generation system,CPC-PV/TE)进行试验研究,结果表明,系统联合发电效率大于单独一种发电方式的效率,实现能源的梯级利用。在CPC-PV/TE联合发电系统瞬时性能的试验期间联合效率最大可达到20.06%,发电功率最大值为125.98 W。在全天性能测试期间,CPC-PV/TE联合发电系统全天的发电效率在18.57%以上,CPC-PV/TE联合发电系统发电性能优于已有的联合发电系统,所获得的电能基本满足寒地温室内环境监控系统、照明系统的供电要求。     

聚光太阳能光伏/温差热复合发电系统设计与性能测试

针对现代温室用电成本高、太阳能利用效率低及余热能量浪费的问题。论文探究了光伏温差混合发电的机理,设计了一种聚光太阳能光伏/温差复合发电系统,该系统利用抛物型聚光器进行聚光,采用三角形热管对光伏电池热量进行传递,完成了以下目标:光伏电池的一部分热量通过温差电池实现二次发电;另一部分通过热管内水对流将多余热量传递到储热箱进行热利用。为测试该复合发电系统电/热性能,建立了电/热数学的模型对系统的能量转换进行分析,并进行试验,得出全年四季不同光辐射强度、冷却水流量对系统的影响。冬季测试期间电效率最高达到20.98%,热效率达到39.81%,?效率达到32.5%。结果表明,该系统与无聚光光伏温差混合发电系统相比效率较高且稳定。所获电能可为温室内环境监控、照明系统供电,并能为作物生长提供部分热能。     

复杂天气状况下的太阳能混合跟踪系统及控制判据

为了解决传统太阳能混合跟踪控制判据范围宽泛,不能准确识别天气情况的问题,该研究设计了一种复杂天气状况下的太阳能混合跟踪系统。通过分析非聚光与聚光条件下系统运行在不同跟踪策略下的跟踪特性,结合天气特征,提出以辐照度识别天气状况的多阈值控制判据。控制判据将天气划分为辐照度波动天气、高辐照度天气、低辐照度天气与辐照度极低天气,装置可根据外界气象变化自动调整光电跟踪、视日运动轨迹跟踪或固定倾角控制模式。该系统搭建Node-Red总控平台,采用并行控制,优化混合跟踪策略,控制信号稳定输出。试验结果表明：应用该判据的混合跟踪系统工作性能优良,非聚光条件下系统平均发电功率分别高出光电跟踪与视日运动轨迹跟踪0.03和0.16 W,聚光条件下系统平均发电功率达到0.81 W,高出光电跟踪0.03 W,高出视日运动轨迹跟踪0.55 W,由此可知,该系统能够提升光伏发电的输出电能,为太阳能混合跟踪系统的跟踪方式切换提供了理论依据。     

基于光谱学和ARM的番茄叶绿素检测仪的开发

为了更加方便、简捷、快速的对温室番茄叶绿素含量进行检测,利用光谱分析技术,开发了一种用于预测温室番茄叶片叶绿素含量的新型作物长势仪。仪器选择527 nm和762 nm两个波长作为特征波长。由一个“Y”型光纤,两个硅光电池,一个信号处理单元,中心处理器及友好的人机交互界面组成。由番茄叶片反射回来的反射光经过“Y”型光纤到达硅光电池的表面,硅光电池可以将此光信号转换成电信号。然后经过信号处理单元的放大滤波转换成可以经CPU处理的电压信号。根据测量得到的光谱反射率可以计算出番茄叶片的光谱系数,再根据光谱系数预测     

戈壁荒漠区光伏发电项目水土流失特征及其影响指数

以河西走廊地区9个已建成的典型光伏发电项目为研究对象,对不同防治分区的水土流失特征进行对比分析,在此基础上应用水土流失影响指数计算、分析和评级方法,计算戈壁荒漠区光伏发电项目的水土流失影响指数。首次指明国内戈壁荒漠区光伏发电项目的水土流失影响指数范围。结果表明：光伏发电项目各防治分区扰动地表面积所占比例从大到小依次为光电池板布置区（68.72%）〉道路区（27.17%）〉其他防治区（1.77%）〉管理区（1.18%）〉施工营地区（1.15%）;挖方量所占比例从大到小依次为光电池板布置区（65.09%）〉道路区（30.45%）〉管理区（1.82%）〉施工营地区（1.48%）〉其他防治区（1.15%）,光电池板布置区和道路区是光伏发电项目施工扰动最大的区域。这些区域的基础开挖、搬运和填筑等土建工程也是产生水土流失的重点环节,戈壁荒漠区光伏发电项目建设的水土流失影响指数为0.419。     

基于太阳能烟囱发电系统集热性能试验的集热棚倾角优选

选取太阳能烟囱发电系统集热特性为研究对象,针对太阳能烟囱发电系统在不同集热棚倾角的集热特性进行试验测试。对不同集热棚倾角下蓄热层温度场及集热棚内竖直平面温度场的分布特性参数进行计算分析。通过对呼和浩特地区太阳能烟囱集热棚倾角为0°~40°分别进行比较分析结果表明:在呼和浩特地区10°集热棚倾角在春夏秋季不同太阳辐照强度GHI(global horizontal irradiance)下,蓄热层温度场温度存在最大值且均匀性最佳;竖直平面温度场温度分布最佳;竖直平面内Gr数最大。得出在10°集热棚倾角下太阳能烟囱集热棚内各项集热性能具有最优值。此试验研究为在呼和浩特地区实现太阳能烟囱搭建提供技术支撑。     

薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制

针对油菜、小麦等中小粒径种子在播种过程中难以兼容监测的问题,该文采用光层厚度约为1 mm的薄面激光发射模组和硅光电池的光伏效应原理设计了一种中小粒径种子流监测装置。根据薄面激光模组发射角度与硅光电池对角线长度计算出种子监测区域大小以及监测区域的具体位置,明确了监测装置的导管内径、导管中心线位置、薄面激光发射模组与硅光电池的相对位置等结构参数。对种子穿越薄面激光层所需时间进行分析,油菜种子的穿越响应信号在3 ms以内完成,小麦种子的穿越响应信号在7 ms以内完成。对种子的穿越响应信号进行隔直通交、双级放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号,作为单片机外部中断源进行计数,获得播量信息,实现了中小粒径种子流无碰撞检测。油菜精量排种器台架试验和小麦数粒仪试验表明:在排种频率8.4～32.1 Hz范围内,油菜种子的监测准确率不低于98.1%,在排种频率21.5～31.2 Hz范围内,小麦种子的监测准确率不低于95.1%。田间播种试验结果表明:在田间正常排种频率范围内,油菜种子的监测准确率不低于98.6%,小麦种子的监测准确率不低于95.8%,光照条件、机具振动对监测精度无影响。     

基于微热管阵列的太阳能温差发电系统优化

温差发电技术因为具有无噪音、无污染物排放、体积小、质量轻等优点,是当今社会能源利用的科学研究热点,但其输出功率过低,传热效果较差仍是很大的问题。该文将微热管应用于低温下的太阳能温差发电中,对温差发电的系统设计进行优化,对其光热输出功率、热电输出功率较低的问题进行改善,通过采用PLC的双轴跟踪和黑铬镀金膜,将太阳能吸热能力提高了5.32%,同时在传热与散热过程中采用液态金属填充硅脂,让微热管阵列在太阳能温差发电传热过程中减少热损失,让光热平均的输出功率提升2.21%,在热电转换过程中,通过采用变长式电导增量法的MPPT,改善功率输出不稳定,精准度不高的问题,总体的光电输出功率可达到28.32 W,较之前相比光电输出功率提高了5.19%,通过对太阳能温差发电系统的追踪优化和传热结构的改善,完善了光伏板在农业上的应用。     

热开关控制光伏/温差联合发电装置设计提高发电效率

为解决光伏电池板接收太阳辐射发电时板面温度上升导致光电转换效率下降的问题,该文通过温差发电技术对光伏电池板进行主动冷却;同时为解决温差发电技术因温差较小时热电转换效率低下的问题,引入热开关对装置进行控制,并采用扁平热管作为传热单元,利用水对流为系统进行冷却。为测试基于热开关的光伏/温差联合发电装置的性能,分析了不同光辐射强度、不同板面温度、以及不同冷端温度对系统的影响,并搭建试验平台,对联合发电装置进行试验研究。结果表明,装置联合发电效率高于单独一种发电方式的效率,实现了能量的梯级利用。在对装置进行瞬时性能测试期间,发电效率最高达到19.45%,发电功率最大达到32.15 W。在6 d全天性能测试期间,联合发电装置的平均发电效率为17.72%,最高可达18.37%。所获电能基本可以满足农业温室大棚检测系统、远程传感器的供电要求。     

基于双曲正切函数的光伏/温差自适应MPPT控制策略研究

为了提高光伏/温差联合发电系统的效率,需要进行最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）控制。针对传统电导增量法步长固定不变,导致跟踪速度慢和稳态误差大的缺点,提出一种恒定电压法和双曲正切型自适应变步长算法结合的MPPT控制策略。该策略利用双曲正切函数单调递增、变化速度快的特点,使步长可以根据光强等外界环境条件的变化,自适应地快速调整,同时利用恒定电压法加快追踪的响应速度。通过Matlab/Simulink软件仿真和硬件试验表明,该研究所提方法在光照强度剧烈变化时,系统能够在15 ms内快速跟踪到最大功率点,同时稳态误差低于0.3%,实现了MPPT控制在跟踪速度和稳态精度方面的同步优化。     

具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究

从提高户用光伏系统蓄电池寿命和系统性能出发，设计出一个户用光伏充电系统。在这个充电系统中，提出了采用具有太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)功能和蓄电池充电电压温度补偿功能相结合的充电控制方法。实验和模拟仿真证明，系统实现了对太阳能电池的MPPT控制和对蓄电池充电的温度补偿。     

光伏并网发电系统的MPPT-电压控制策略仿真

在配电网络的末端,负载的无功波动将会对电网供电电压产生较大的影响,对光伏发电系统并网处系统侧的交流电压进行控制,可以提高系统的电压水平。根据光伏并网系统的结构,采用外环为电压环、内环为并网电流环的双环控制。通过abc/dq0变换将并网电流解耦为有功分量和无功分量,引入最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分量,引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量,实现了具有MPPT和电压控制能力的三相光伏并网发电技术。仿真结果表明MPPT-电压控制策略既能够实现光伏并网的最大功率点跟踪,也能够控制光伏发电系统接入点的交流电压,进一步提升了光伏并网发电系统的应用前景。     

基于最大功率点与最小损耗点跟踪的光伏水泵系统效率优化

太阳能光伏电源是一种非常有潜力的再生能源,但应用成本高、投资回报率低是当前制约独立光伏水泵系统在光照充足的农村地区大面积推广的瓶颈之一。该文研究工作的核心是优化光伏水泵系统、提升效率,在不增加硬件投入的前提下,一是利用一种最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）算法优化光伏转换效率,二是在异步电动机的损耗方面优化进而提升效率,利用一种最小损耗点跟踪（minimum loss point tracking, MLPT）算法提高水泵用异步电动机效率,并且将MPPT与MLPT耦合。通过样机试验验证了优化策略的实际运行情况,其节能效果具有一定的实际意义,从而可有效提高投资回报率。     

具有TMPPT功能的数字式光伏水泵系统的设计

设计了一种基于16位微处理器结构的简单全数字式光伏水泵系统。系统采用频率微分逼近法实现了太阳电池的真正最大功率跟踪(TMPPT)功能，运行结果证明系统运行稳定可靠，效率高于传统恒压跟踪(CVT)方式；系统具有完善的保护功能，可以实现无人值守工作。     

太阳能空气预处理分级溶液集热再生系统特性

为了提高太阳能溶液集热再生器的效率,该文提出太阳能空气预处理分级溶液集热再生方法。通过定义蒸发率的品质系数和有效溶液比将一、二级太阳能集热再生模型和预除湿模型进行联接,建立系统数学模型。模拟结果表明,溶液预除湿的热交换效率为0.69时,有效蓄能密度SCe达到最大;室外空气相对湿度和太阳辐射强度存在一个临界值,用于判断该溶液再生方法和直接溶液集热再生的优劣。研究结果显示室外相对湿度越大,太阳辐射强度越弱,分级集热再生的方法越能体现其优势。     

隔板起始位置对大型双蜗壳双吸泵径向力和压力脉动的影响

为研究双蜗壳泵内压力脉动情况,该研究以某大型双蜗壳双吸泵为研究对象,通过三维非定常计算对不同隔板起始位置对水力性能、叶轮径向力、蜗壳内各点压力脉动的影响进行研究。研究结果表明,采用双蜗壳结构后,设计点效率下降4%～5%;径向力大小在叶轮旋转过程中呈周期性变化,径向力大小受隔板起始位置影响较大,因此需要合理布置隔板起始位置;隔舌附近各点压力分布均呈现明显的周期性波动变化,隔舌后测点压力峰值、平均值及脉动值要远小于隔舌前测点,仅为隔舌前测点相应值的25%～50%,而且随着隔板起始位置后移,隔舌附近各点压力波动逐渐减弱;综合考虑水力性能及压力脉动影响,隔板起始点应布置于自隔舌点以叶轮中心为圆心向蜗壳出口方向旋转200°位置,该结构下水力效率最高,径向力最小,研究结果可以为大型双蜗壳双吸泵水力性能改进及结构优化提供一定的理论支持。     

基于人工神经网络的PV/T热电联供系统性能预测

为研究太阳能PV/T热电联供系统的性能和针对太阳能PV/T系统复杂的能量平衡方程,搭建了太阳能PV/T系统试验台,同时建立了基于改进灰狼优化的BP神经网络(back propagation neural network model based on improved grey wolf algorithm, IGWO-BP)预测模型,在晴朗天气下进行试验,并采用该模型对系统电功率以及蓄热水箱内水温进行预测。结果显示,晴朗日系统的电效率8.7%～12.2%、热效率51.7%;预测结果与BP神经网络预测模型、基于粒子群优化的BP神经网络(back propagation neural network based on particle swarm optimization, PSO-BP)预测模型和卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）预测模型预测结果进行比较,结果显示IGWO-BP预测模型电效率预测模型的绝对百分比误差(mean absolute percentage error, MAPE)、决定系数(determination coefficient, R ² )、均方根误差(root mean square error, RMSE)、效率因子(efficient factor, EF)和Pearson相关系数(pearson related coefficient, r )分别为4.5E-05、0.99、0.24、0.99和1.00,在储热罐温度预测中,上述指标分别为8.90E-04、0.98、0.07、0.98、0.99,均优于其他预测模型,IGWO-BP神经网络预测模型具有更好的预测性能。研究结果可为太阳能PV/T热电联供系统性能预测与优化控制提供参考。     

太阳能驱动喷灌机组行走动力和光伏功率匹配设计与试验

为明晰太阳能驱动喷灌机组动力匹配设计理论和方法,促进太阳能喷灌机组推广应用,解决能源短缺地区的灌溉动力问题.文章以课题组研发的太阳能驱动喷灌机组为平台,通过对机组工作方式和行走驱动理论进行分析,构建了一种太阳能驱动喷灌机组动力需求与光伏功率匹配设计方法.通过试验对机组行走驱动需求功率计算理论进行了验证,并以夏季典型晴天下机组累积最大工作时长和设计日标准工作时间为标准,分别从纵向和横向上对机组日工作能力和光伏系统供电性能进行了分析.结果表明:喷灌机组行走驱动功率实测值与理论计算值基本吻合,最大相对误差为7.3％,进一步验证了行走驱动功率理论计算的可靠性;夏季典型晴天下,机组累积最大工作时间随机组喷灌功率和运行速度减小而变长,以试验当天为例,当机组以最大设计流量、最大运行速度处于最大负荷工况下时,最大工作时间接近20 h,表明机组工作能力较强;以机组设计日8h工作时间为准,在2016年7月进行了为期一个月的光伏供电监测,从横向上对系统供电能力进行分析,结果显示在为期一个月的检测过程中系统总缺电时数8.75 h,占系统总供电时长的3.5％,表明光伏供电系统可靠性较高.该研究为实现太阳能与农业机械相结合、太阳能喷灌机组驱动系统方案设计与优化,促进太阳能驱动喷灌机组在实际工程中的推广应用,解决能源短缺地区灌溉动力问题提供了参考.