相变热管理太阳能光伏光热系统综合效率研究

在目前经济社会迅速发展的形势下,工农业生产对能源的需求也在不断的提高。而传统的化石能源储量有限,开始无法满足此方面的要求。因此,发展太阳能、风能、地热能等可再生能源是实现可持续发展的重要方向,其中由于我国土地辽阔,太阳能资源十分丰富,太阳能利用技术的发展成为可再生能源应用的重中之重。太阳能在建筑中的主要热、电利用方式有:太阳能热水、太阳能空气采暖、太阳能光伏发电等。而太阳能光伏光热综合利用技术是近年来太阳能与建筑节能领域的研究热点之一,它可同时提供电能和热能的输出,有效提高太阳能的综合利用效率。相变材料能够实现能量在时间和空间上的转移,这一特点使得它在低温制冷、纺织保温、余热废热回收、建筑节能、太阳能热储存等很多领域都备受关注。特别是在大力发展可再生能源应用的今天,太阳能应用与相变热管理的耦合存在多种方式。因此本文将相变材料与太阳能光伏光热集热器进行耦合,提出了基于相变热管理太阳能光伏光热集热器。相变热管理的太阳能光伏光热集热器是在常规水冷太阳能光伏光热集热器的基础上增加一个相变层,利用相变材料的潜热与显热对集热器进行热管理,从而提高系统效率。本文的研究内容主要包含以下几个方面:(1)在室内搭建与常规水冷太阳能光伏光热集热器的对比实验台,并根据系统需求制备了5种不同相变温度的相变材料,且将其中一种应用于实验系统中以研究相变材料对提升相变热管理太阳能光伏光热系统性能的影响。结果显示:相变层的添加有效降低了光伏板的温度,两系统在相同的太阳辐射照度下,最大的光伏板温差为15.8℃;相变热管理太阳能光伏光热系统的发电效率较水冷太阳能光伏光热系统有明显提升,两个系统的累积发电效率分别为8.16%和6.98%,集热效率分别为70.34%和58.35%,对于光伏光热综合性能效率两者分别为87.5%和73%。可见,相变材料的加入可有效提升系统效率,相变热管理太阳能光伏光热系统具有实际的应用价值。(2)为减少时间和突破实验设备的限制,同时更加深入地对相变热管理太阳能光伏光热系统进行研究,本文以实验为基础,建立该系统的数学模型,同时结合实验中的运行方式对系统进行动态仿真,并将其结果与实验数据进行对比。结果显示:对于光伏板的温度情况,实验与模拟两者吻合得较好,终温均在57℃左右;对于系统集热情况,水箱温度的相对误差在-0.1%~-3.4%之间,平均相对误差为4.7%。理论模拟和实验结果基本吻合,建立的数学模型可准确预测相变热管理太阳能光伏光热集热器性能。(3)采用单因素分析法,利用已验证的数学模型,以系统综合性能和火用效率为目标参数,重点研究了电池覆盖因子、管间距、雷诺数、太阳辐射照度、相变材料等影响因素对系统效率的影响规律。结果表明:电池覆盖因子在0.8左右可获取较高的光伏光热综合性能效率;综合考虑成本和系统输出效率,80mm左右的管间距较为适宜;雷诺数在7500内增大时,系统效率均以较快速率提升;在太阳辐射照度不断提升的情况下,合理提升集热和发电效率可更加高效利用集热器收集到的热量;利用正癸酸(相变温度30.1℃)可获得最高的光伏光热综合性能效率,利用正癸酸-肉豆蔻酸(相变温度20.24℃)可获得最高的火用效率。(4)利用正交试验法,针对集热效率、光电效率、系统综合效率和系统火用效率这4个系统目标参数,分别研究了系统关键参数及其交互作用对它们的影响程度,同时提出针对该目标参数的系统优化组合。利用博弈分析方法对PV/T-PCM系统进行多目标优化设计。研究了系统在纳什均衡策略下的多目标优化设计博弈分析,将系统的多目标优化问题转化为博弈问题,并通过博弈分析得到博弈均衡解,即多目标优化的最优解。