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。     

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。     

聚光太阳能温差发电装置性能分析与试验

为提高太阳能温差发电装置的热电转换效率,该文设计聚光太阳能温差发电装置,利用槽式抛物面反射聚光镜进行聚光,经集热体转换为热能后提高温差发电器(thermoelectric generator,TEG)热端温度,冷端采用扁平热管作为传热元件,利用水冷散热,增大TEG冷热端温差,提高装置输出功率及热电转换效率。对装置建立能量转换平衡方程,通过数值计算分析不同太阳辐射强度对热损失、光热转换效率及热电转换效率的影响。为解决多个热电模块串联在一起,无法使每个模块都工作在最大功率输出状态,从而导致整体输出功率降低的问题,采用集中-分布混合式最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT),试验结果表明,经过MPPT后装置能很快达到最大功率输出点,且输出功率稳定,运行30 min输出功率增加3.2 W。搭建了装置的性能测试平台,对基于槽式抛物面反射聚光与扁平热管水冷散热的聚光太阳能温差发电装置进行试验研究,结果表明,随着冷却水流量的增加装置输出功率得到提高,当冷却水流量达到8 L/min后,输出功率趋于平缓;随着温差的增大装置的最佳匹配负载逐渐增加。装置的全天性能试验表明,试验期间装置最大输出功率为30.1 W,平均输出功率27.8 W,试验期间发出电量222.4 W·h,热电转换效率最大为5.4%,装置最大效率4.1%,该装置在远程传感器供电和微功耗供电等领域具有广阔的应用前景。     

PV-PCM-TE系统设计及电热性能分析

光伏温差混合发电系统（Photovoltaic-Thermoelectric,PV-TE）温度随辐照度变化而波动,对系统的太阳能利用率产生较大的影响。将相变材料（Phase Change Material,PCM）加入PV-TE系统,设计基于相变材料的光伏温差混合发电系统（Photovoltaic-Phase ChangeMaterials-Thermoelectric,PV-PCM-TE）,通过相变材料的相变潜热特性提高系统在辐照度变化下的稳定性。该文分析了系统内部能量传递与转换过程建立数学模型,搭建试验平台测试PV-PCM-TE系统性能。试验结果表明,在辐照度最高的11:00-14:00期间,光伏电池的最高温度基本维持在相变材料的相变温度,使系统在适宜的工作温度下运行;冷却系统采用水冷,冷却效果优于自然风冷,系统接触面选用高导热率材料减小接触热阻提高系统发电效率;PV-PCM-TE系统相比PV-TE系统,电效率与电功率分别增加了1.05%和16.21%,全年测试期间PV-PCM-TE系统最大电效率为22.28%,最大热效率为32.55%,最大?效率为27.32%。系统所获电能可为现代农业温室环境监控系统、照明系统供电,并为植物生长提供部分热能。     

利用多余光照光伏发电的温室透明覆盖材料的研制

针对高于光饱和点的多余光照对植物生长没有意义的问题,该文研究了一种可利用多余光照实施光伏发电的新型实体复合抛物面聚光(compound parabolic concentrate)温室透明覆盖材料。利用光学仿真软件对不同入射角的太阳光进行追踪,并对该透明覆盖材料在实际天气下的透过率和发电功率进行试验研究。仿真结果与试验输出功率以及覆盖材料实际透过率的趋势相吻合,在正午阳光强烈时覆盖材料透过率低,最低时只有32%;而上、下午透过率相对较高,在60%左右。研究表明此新型温室覆盖材料可以较好地调节光照,使温室内的光照度更加均匀,进而改善温室内光热环境,同时利用多余光照发电,实现太阳能综合利用。     

温室便携式温差发电系统的设计与试验

为解决在极端条件下,偏远地区温室大棚小功率器件,如节能灯、温度湿度监控系统、数码设备等必要用电设备的随时供电问题。该文设计了一种便携式且可持续供电的温差发电系统。该系统发电结构为一个小型的长方体发电箱,且系统总质量较轻,满足便携性。该系统采用生物质燃烧产生的热量作为热源,使用扁平热管作为导热元件,冷端利用水冷散热。使用ANSYS对系统进行仿真分析,并搭建试验平台,采集并记录相关数据,数据显示该系统热端的最高温度为270.1℃,输出的最大功率为10.7 W,热电效率最大为5.73%;结果表明,该系统具有便携性,热端温度较高,具有较高的热电效率,在极端条件下或偏远地区可实现随时发电,同时为便携式发电系统的研究与应用提供了有力依据。     

设施农业用槽式太阳能聚光电热联供系统性能分析与试验

该文针对在设施农业中棚顶安装的光伏组件挡光导致棚间距离增加,提出一种可以用在设施农业中的槽式太阳能聚光电热联供系统,通过减少输出额定电功率所需光伏组件的数量以提高设施农业经济性,同时还可以在寒冷季节为作物生长提供热能。该文介绍了该聚光电热联供系统的工作原理,利用光学仿真软件对聚光器的聚光性能进行了仿真计算,搭建了聚光电热联供系统性能测试台,将电热联供系统组件与平板光伏组件工作温度进行了对比,通过改变换热介质流量,分析了系统综合性能效率随换热介质流量变化的规律。结果表明,在约2倍聚光条件下,换热介质质量流量为2.41 g/s,室外平均气温为2℃时,槽式聚光电热联供系统的输出电功率约是平板光伏组件的2倍,系统综合性能效率为69.88%,系统输出水温约为20℃左右。该研究可以为设施农业与太阳能光伏利用技术的高效耦合提供了参考。     

太阳能光伏环路热管热水系统光电光热性能试验

为减少建筑热水能耗,该文研究了一种新型太阳能光伏环路热管热水系统。该系统将太阳能光伏光热利用与环路热管有机结合,并以电加热为辅助热源制备生活热水。搭建了室外测试平台,对该系统进行了典型工况及全天性能的测试研究,分析了循环工质充注量对系统性能的影响。结果显示,系统在环路热管运行模式下,夏季工况的光热效率和综合能源效率最高,日平均值分别为62.1%和68.1%;冬季工况的光电效率和综合?效率最高,日平均值分别为13.7%和10.9%。整套系统的综合能源效率和综合?效率略高于环路热管模式。30%充注量的工况更有利于系统光热效率和光电光热综合能源效率的提高,40%充注量的工况则有利于系统光电光热综合?效率的提高。该研究表明太阳能光伏环路热管热水系统在寒冷地区运行性能良好,为系统工质充注量的选择提供了参考依据。     

光伏温差界面热耦合特性及混合发电效率

光伏温差混合发电系统实际应用中因为温差电池布线及存在尺寸误差等原因,部分光伏电池背板与外界进行自然对流及自然辐射换热,光伏温差界面热耦合特性较为复杂,对混合发电效率的影响规律有待探索.该研究通过有限元软件模拟混合发电系统热场分布,研究接触热阻与辐照度在4种温差电池与光伏电池面积比情况下对混合发电系统的影响规律.结果表明...     

温室主动蓄放热-热泵联合加温系统热力学分析

主动蓄放热-热泵联合加温系统加温和节能效果显著,在温室加温领域应用前景广阔,但系统技术参数及工艺仍有待优化。该文通过对系统进行能量平衡和可用能(Exergy)分析,得出系统及各组件的性能系数、可用能损失、损失比和可用能效率,以此为依据对系统进行性能评价和优化。试验结果表明:系统平均1 d中集热和保温阶段可用能损失总量为9.77×104 kJ,可用能效率为48.7%;可用能损失最大、可用能效率最低的组件是主动蓄放热装置,其次是热泵装置、循环水泵和蓄热水箱,其可用能损失比分别为78.7%、8.3%、7.7%、5.3%,可用能效率分别为25.6%、38.3%、75.0%、88.2%。就整个系统而言,最需要进行技术优化的是主动蓄放热装置与热泵装置,可用能损失主要由有限温差传热引起,降低传热温差、减少有限温差传热过程以及改进生产工艺是优化的重点。试验期间系统的集热效率为89.0%~100.5%,热泵装置制热性能系数(coefficient of performance,COPHp)达5.48~6.08,性能远远高于传统太阳能热水系统以及水、地源热泵。该研究为温室加温系统性能评价和优化设计提供思路。     

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。     

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。     

基于环境因素与模糊识别的太阳自动跟踪控制策略

提高太阳自动跟踪控制系统的运行稳定性和跟踪精度,需要考虑外界环境因素对系统的影响及选择适当的跟踪方式。目前,太阳自动跟踪系统普遍采用光电跟踪和程序跟踪相结合的混合跟踪方式,将光强值与光强阈值的差值作为切换跟踪方式的依据。当光强值趋近光强阈值时,会造成跟踪方式频繁的切换,该文针对该问题,以外界光强大小、光强变化和风速大小为特征目标,利用MATLAB中的模糊识别方法归类总结了天气情况和系统运行情况,建立了一种基于环境因素判断的模糊识别系统,通过仿真验证,得到了天气类型和系统的运行情况,仿真结果完全符合推理条件,并与计算所得结果基本一致。该研究为太阳自动跟踪系统的启停和跟踪方式的切换提供了可靠的理论支持,且具有较高的实用性和可行性。     

基于混沌蚁群算法的冷藏车光伏储能混合制冷系统优化设计

针对冷藏车制冷系统能耗过高和车载光伏发电量不足等问题,设计一种冷藏车混合制冷系统,由光伏发电储能系统作为冷藏车辅助制冷动力来源,在冷藏车长时间停车时供电制冷。建立冷藏车混合制冷系统数学模型,进行样车试验,通过比较试验与仿真数据来验证冷藏车混合制冷系统模型的正确性,并在此基础上,提出将制冷效能系数和光伏发电经济系数作为冷藏车混合制冷系统评价指标,采用乘除法将这2个评价指标统一为目标函数。基于混沌蚁群优化算法,对冷藏车混合制冷系统进行优化设计,优化结果表明:制冷效能系数从0.542降低到了0.402,光伏发电经济系数从0.464升高到了0.840,优化后的冷藏车混合制冷系统更加节能经济。     

非聚光光伏-热电耦合系统表面换热影响分析及模型验证

目前光伏-热电耦合系统模型多是基于能量守恒原理建立的一维传热模型,忽略了系统表面自然对流及自然辐射换热的影响,对非聚光光伏-热电耦合系统能量分析影响较大。该研究通过ANSYS建立了光伏-热电耦合模型,分析考虑系统表面对流及辐射换热后的系统能量传递过程,研究不同冷却模式下3种不同光伏电池的光伏-热电耦合系统特性,并通过试验对比仿真效率与测量效率,分析仿真模型误差。研究发现系统表面换热对非聚光光伏-热电耦合系统热通量影响主要与环境温度与光伏温度有关,光伏温度越接近环境温度,系统表面对流及辐射换热影响越小。考虑系统表面对流及辐射换热后,3种光伏-热电耦合系统在不同冷却模式下,光伏背板热通量最多减少22.60%。系统表面对流及辐射换热对自然风冷散热模式的光伏-热电耦合系统精度影响最大,光伏背板热通量至少减少9.21%。当冷却效果较好时系统表面对流及辐射换热会导致光伏背板热通量增加,最多增加7.17%。非聚光模式下GaAs光伏-热电耦合系统受辐照度影响最小,600～1 400 W/m2辐照度范围内效率最多减少0.12%。该文所建模型仿真效率最大绝对误差为-0.299 5%,最大相对误差为-3.032 0%,较为适用于非聚光模式的光伏-热电耦合系统特性分析。     

菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能模拟与试验

该文基于直通式微通道冷却的菲涅尔高倍聚光PV/T系统热电输出性能的仿真和试验进行研究,结果表明,太阳辐照度、聚光元件间的装配距离、入射角及热对流等对系统热电性能的影响较大;太阳直接辐照度为226 W/m2时,菲涅尔透镜与聚光元件间距离增大2 mm后,功率和电效率分别下降0.98 W和7.4%,对于确定的菲涅尔高倍聚光PV/T系统,存在最佳聚光元件装配参数范围;当太阳直接辐照度一定时,冷却工质流量越大,电池表面温度下降越快,但在较高流量时,随着流量持续增大,电池表面温度下降趋势减小;当入射角由0°增大至1°后,系统得热量下降0.25 MJ,在太阳辐照度达到500 W/m2时,输出功率下降6.35 W;试验系统输出性能稳定,且适用于大型系统,该文研究为系统实际运行参数调控提供理论和试验依据。