论文题目：非对称非跟踪太阳能聚光器及其光热光电性能
摘要：太阳能对于降低建筑能耗,实现建筑节能发展目标具有重要的作用。针对太阳能分散性和不稳定性,聚光器可以提高吸收器上的太阳辐射照度,减少昂贵的吸收器面积,从而减少热损失,并获得更高的温度,且降低成本。目前应用于建筑的太阳能聚光器大多存在着可吸收的太阳入射角范围小,需要跟踪系统,具有较大的高宽比,加工精度高,聚光均匀性差等问题,因此开发接收角范围大、结构简单、光学效率高且聚光均匀性较好的聚光器并对其进一步地研究和应用具有重要意义。首先,本研究提出了一种非对称非跟踪型聚光器,其优势在于接收角范围大且光学效率高,体型较小,结构扁平化,聚光相对传统聚光器比较均匀。通过理论计算给出了设计方案,主要包含三个步骤:根据地理纬度及设计条件确定设计入射角0以及平面镜块数n;理论计算各块平面镜的端点的坐标计算式;以几何聚光比最大为优化目标,确定各平面镜倾斜角度。其次,利用光学仿真软件TracePro模拟分析了光学性能。模拟结果显示:聚光器可完全接收的入射角范围为[0,90°),当入射角小于设计入射角0时,只有部分光线能被吸收;增大n和0均可以增大聚光器的聚光比,且均会降低光学效率。=0.94、=1、=0.9时,聚光器的光学效率在[0,90°)的入射角范围内,达到85%以上,且随着入射角增大而增大;对不同组合的0和n,只要聚光比CR相同,当≥0时,不同聚光器的光学效率均相同。相对抛物面聚光器,该聚光器的聚光均匀性较好,减小n值有利于获得更均匀的能流分布。然后,通过实验测试和建模计算研究了聚光集热器的热性能,并利用实测数据验证了稳态模型的准确性。实测结果表明:其效率方程为η=-1.8350 T*+0.6930,其中归一化温差基于工质平均温度。全天集热效率受太阳直射辐射照度影响较大,测试期间集热效率能达到60%以上,平均集热效率达到47%以上。结构参数模拟计算结果表明:夏季平均反射次数较大,最大平均反射次数为0.8549,集热效率受反射率影响较大,而冬季反射光线较少,受反射率影响较小;增大聚光比能增大集热效率,但是增幅越来越小,选择合适的聚光比可以提高集热效率同时降低成本;盖板与吸热板之间的空气层厚度存在两个有利值,宜选择10mm或30mm左右。运行参数模拟计算结果表明:热效率随太阳辐射照度增加而升高,增幅逐渐放缓,最后会趋于一个稳定的最大值;散射占比越低,热效率越高;环境风速对热效率的影响不大,降低环境温度或者升高工质的进口温度会使集热器对外散热量增加而降低热效率;增加流速有利于提高热效率,当流速在临界流速附近时,热效率会有较大的突变,湍流时的热效率比层流时提高约5%。最后,将聚光器与自制的PVT组件结合制作聚光PVT组件,通过实验测试其光电光热效率。实测结果显示:光热系统和光电系统同时运行时,测试期内最大光电效率为7.53%,最大光热效率为47.35%,综合效率最高达到66.08%;平均光电效率为5.79%,平均光热效率为40.38%,综合效率平均达到55.62%。当PV电池单独运行时,最大光电效率为5.63%,平均光电效率为3.97%,相比同时运行时的效率低约2%。可见光伏光热一体化组件在光热系统运行时可以有效带走光伏电池的热量,降低运行温度,从而提升光电转换效率。本研究提出的聚光器具有一定的太阳能建筑一体化应用潜力,所建立的稳态传热模型可对集热器的性能进行快速准确的预测,在结构设计和应用选型方面提供理论支撑。
关键词：太阳能聚光器;集热器;光学性能;聚光集热器;光热光电
学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 太阳能聚光器概述
1.2.2 CPC国内外研究现状及发展趋势
1.2.3 ACPC国内外研究现状及发展趋势
1.2.4 新型聚光器研究现状及发展趋势
1.3 建筑一体化对太阳能聚光器的要求
1.4 存在的问题与不足
1.5 课题研究内容与思路
1.5.1 研究内容
1.5.2 技术路线
2 非对称非跟踪聚光器设计及光学性能研究
2.1 聚光器结构的提出与设计方法
2.1.1 聚光比分析
2.1.2 聚光比与单晶硅效率的关系
2.1.3 材料选择
2.2 光学性能研究
2.2.1 方法及评价
2.2.2 结果与分析
2.3 聚光器的优势分析与应用场合
2.4 本章小结
3 复合平面聚光集热器性能试验研究
3.1 聚光集热器设计与制作
3.2 试验原理及热工评价方法
3.3 聚光集热器热工性能试验台设计
3.3.1 试验台测试系统
3.3.2 试验台工质选择
3.3.3 基于误差分配的仪器选择
3.4 试验过程
3.5 试验结果与分析
3.5.1 稳态测试结果
3.5.2 动态测试结果
3.6 本章小结
4 聚光集热器热性能模拟研究
4.1 控制方程
4.2 传热计算
4.2.1 太阳辐射
4.2.2 对流换热量计算
4.2.3 辐射换热量计算
4.3 数值求解
4.4 模型验证
4.5 结构参数分析
4.5.1 反射面的反射率
4.5.2 聚光比
4.5.3 空气层厚度
4.5.4 结构参数优选方案
4.6 运行参数分析
4.6.1 太阳总辐照度和散射辐照度
4.6.2 工质进口温度和环境温度
4.6.3 环境风速
4.6.4 工质流速
4.7 本章小结
5 复合平面聚光PV/T组件性能测试
5.1 PVT组件结构形式
5.2 聚光PVT组件自制过程
5.3 聚光PVT组件性能测试
5.3.1 实验原理
5.3.2 聚光PVT组件性能评价
5.3.3 聚光PVT组件实测结果
5.4 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
致谢