聚光光伏光热组件数值模拟及结构改进

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:leijugui
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作为太阳能综合利用的方式,太阳能光伏光热(PV/T)技术通过回收太阳能电池发电时产生的余热,可降低太阳能电池温度而提高其效率,并实现热电联产,在节约用地的同时实现对传统太阳能热水器及太阳能电池板的部分替换,促进分布式太阳能利用的高质量发展。聚光光伏光热(CPV/T)作为一种光伏光热一体化技术,利用聚光镜结构来显著增加太阳能电池表面接收到的太阳能能量密度,配合有效的冷却措施,在节约太阳能电池的同时,能够提高太阳能电池效率,并提供更高品质的热能。本文通过对原设计的CPV/T组件进行数值模拟,考虑改善原设计缺陷,提出了一种较紧凑的换热结构。具体研究内容如下:首先,根据对原设计CPV/T组件物理模型的分析,建立了一种光电热耦合的模拟流程。对比实验数据,出口水温、输出电流和输出功率值的计算误差均在5%以下,验证了该模拟流程可用于后续研究。通过该模拟流程,发现以导热流体冷却为基础的原设计组件由于流体温度从流道入口处开始逐渐提高,换热效率会逐渐下降,太阳能电池组件的温度也因此逐渐上升。因此,可通过相变材料吸收大量热量而温升不高的特性,在无需额外水泵耗功的情况下,利用导热流体与相变材料的传热温差逐渐升高带来的导热量增加,实现回收热量效果的互补。接着,根据分析采用相变材料层设计取代原组件玻璃流道底,实现与导热流体的直接热量交换,进一步提高整体性能。通过所建立的模拟流程,选取相变材料高度、导热流体中纳米流体的质量分数、相变材料中纳米颗粒的质量分数和导热流体流速作为独立自变量,采用响应面法对该相变材料辅助的CPV/T组件性能进行拟合。拟合所得的各多项式的显著性水平P小于0.05,平均误差小于2.5%,残差均落在红线内且分布随机,具有统计学意义并可以很好地预测结果。与原设计的比较表明相变材料层的加入进一步回收了太阳能电池散失的热量,提高了电效率,并可减少组件向环境散失的热量,验证了相变材料在CPV/T中的可用性。最后,以特斯拉阀型流道对对流换热的强化作用为基础,结合相变材料与特斯拉阀型流道设计了一种更为紧凑的换热结构,并对关键的换热性能进行了模拟分析。结果表明该结构相较于原设计可有效降低最高温度,并提高温度分布的均匀度,有利于太阳能电池性能的提升及消除组件运行时的热应力。同时,变热流密度的模拟结果表明该结构可用于中/低倍聚光技术在标准电池板上的应用。
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