积尘对PV/T太阳能集热器的性能影响研究

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近年来,由于对化石燃料的大量开采和使用,环境问题日益突出,发展可再生能源技术、调整能源结构成为必要。太阳能因其分布广、清洁无污染成为了可再生能源中的佼佼者。目前对太阳能的利用主要包括热利用和光电利用两部分,典型利用装置分别为家用太阳能热水器和太阳能PV板,光电利用作为太阳能利用的主要部分,近年来PV板在发电工程中得到了大量应用。由于PV板的的效率受面板温度影响较大,在实际应用中其性能会受到一定的制约,而光伏光热综合系统(PV/T)不仅能光伏发电,而且工作介质还能带走系统表面的大量热量,与PV系统相比PV/T系统对太阳能的利用效率更高,所以目前的应用也越来越广。PV/T系统的性能主要与设计因素、部件因素和环境因素有关,系统设计完成后设计因素和部件因素往往不能再进行更改,所以环境因素成为了系统性能的最大制约。其中环境因素中的大气降尘会极大的制约系统的性能,而目前对于太阳能利用系统的积尘问题缺乏全面的分析,且在太阳能利用系统的运行维护过程中积尘问题往往会被忽视。因此本文利用构建的PV/T系统作为实验平台,对系统的表面积尘问题进行了深入研究,并设计了相应的清洁策略。本文的研究内容主要分为以下方面:(1)构建了PV/T太阳能空气集热器实验平台及实时数据监测系统,可以对PV/T系统的输出电信号进行实时监测并进行数据存储。(2)分析了积尘的来源、形成和影响集热器表面积尘量的因素;根据积尘的物理性质、化学性质和形态对集热器表面积尘进行了分类;研究了积尘对集热器的影响机理;利用玻璃盖板样品进行自然积尘实验,在连续15天无降雨时间内盖板积尘密度达到了12.53 g/m2,透过率下降了6.16%。(3)为了测试构建的PV/T实验平台的性能,本文研究了影响PV/T实验平台性能的参数,以及在不同工况下对PV/T系统的性能进行了实验测试。对实验结果分析得到以下结论:系统的各项性能随着空气质量流量的增大而增大;当太阳辐照强度增大,虽然系统的光电和集热效率有一定程度的降低,但系统的输出电功率提高了45.80%;同时环境温度也对系统的性能有很大影响,系统性能随着环境温度的升高而得到提升,但当环境温度超过33℃后系统的光伏模块受温度的影响效率开始降低;通过在不同天气条件下对系统性能进行测试,结果表明在小雪这样的天气,由于受辐照强度和环境温度限制,系统的运行效率较低,全天平均光电效率为6.46%,输出电功率仅为0.05 k W·h;通过在不同季节下进行测试发现在冬季受环境温度的限制系统的光电效率和输出电功率最低,其余季节系统运行性能较好。(4)利用人工布尘法研究了不同积尘密度和形态对系统性能的影响,结果表明积尘密度越大,系统的输出电功率和光电效率越低,电功率最大下降了49.17%,光电效率最大下降了48.65%,而集热效率的变化不显著;在松散和粘结两种形态积尘下,松散形态积尘的电功率和光电效率均高于粘结积尘,分别高了2.15%和1.30%,而粘结形态积尘的集热效率比松散形态积尘高2%;最后在积尘形态日变化的实验中发现在降雨期间系统性能降低,但降雨结束后其性能稳定升高,若降雨持续时间较短,其全天性能变化并不显著。(5)以兰州为西北地区典型代表,通过实验研究其降尘规律和积尘特性,建议在春冬季节一月清洁两次太阳能利用系统,而在夏秋季应该一个月至少清洁一次。
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