光伏光热综合利用系统集热器结构设计与性能研究

【摘要】：光伏光热综合利用（PV/T）系统是将光伏电池组件与太阳能集热器功能结合起来，在把太阳能转化为电能输出的同时通过集热器中的流体带走电池的热量加以利用，同时产生电、热两种能量收益，从而提高太阳能的综合利用效率。本文研究在不降低光伏电池发电效率的条件下提高PV/T系统的光热利用效率，而该系统的热效率主要取决于其集热器的结构，因此本文主要工作即是设计出一个最佳的集热器结构，并对在此结构下的PV/T系统集热器换热性能进行研究。 本文首先对PV/T系统集热器的换热及流动进行理论分析，通过对导热与对流耦合换热机理的研究，明晰了该系统中能量传递的过程及能流的走向；通过对传热与流动耦合的分析，得出影响太阳能光热利用效率的主要因素及提高该效率可以采取的措施。 本文主要通过改善集热器的结构来提高PV/T系统的光热利用效率，而影响集热器换热性能的结构参数主要有集热板贴管形式、集热管管径、集热管壁厚、集热板厚度以及集热管间距。由于CFD模拟方法在研究这类问题上所具有的花费少、周期短等优势，本文利用CFD常用软件Fluent对上述结构参数不同取值组合的集热器模型进行模拟分析，研究不同结构模型的换热性能，得出使得PV/T系统光热利用效率最佳的集热器结构。 研究表明，集热板贴管形式在选择将集热管完全包裹的情况下集热器的换热性能明显优于集热板部分包裹的形式；而集热管管径取为5mm时集热器换热效果相对于另两种管径下的模型更佳；对于集热管壁厚与集热板厚度，均选取0.8mm时集热器换热性能达到最佳；最后对三种不同管间距的模型换热情况进行比较，得出集热管间距应取为50mm。确定PV/T系统集热器的最佳结构之后，再对此结构下的集热器光热利用效率进行研究,主要分析水流入口速度对其影响。流速越大，单位时间内通过水流所带走的热量越大，而单位流量所带走的热量减小，且水流出口温度也随之降低。 【关键词】：光伏光热 集热器 CFD模拟 结构设计 换热性能
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 插图索引10-12
• 符号说明12-13
• 第1章 绪论13-22
• 1.1 研究背景13-18
• 1.1.1 太阳能资源优点14
• 1.1.2 太阳能热利用发展概况14-17
• 1.1.3 太阳能光伏发电17-18
• 1.2 太阳能光伏光热综合利用系统研究的意义18-19
• 1.3 太阳能光伏光热综合利用系统研究进展19-20
• 1.4 本文所做的工作20-22
• 第2章 光伏光热综合利用（PV/T）系统换热原理22-31
• 2.1 PV/T 集热器类型22-25
• 2.1.1 空气冷却型22-23
• 2.1.2 水冷却型23
• 2.1.3 扁盒式集热器23-24
• 2.1.4 管板式集热器24
• 2.1.5 有盖板集热器24-25
• 2.1.6 无盖板集热器25
• 2.2 PV/T 集热器结构25-26
• 2.3 PV/T 集热器传热理论分析26-29
• 2.3.1 Epv的确定27
• 2.3.2 q1的确定27-28
• 2.3.3 光伏板光学系数α、γ的确定28-29
• 2.4 流动与换热的耦合29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 PV/T 系统模型的建立及模型参数的设置31-44
• 3.1 CFD 及 Fluent 模拟软件简介31-35
• 3.1.1 CFD 介绍31-34
• 3.1.2 Fluent 软件介绍34-35
• 3.2 PV/T 集热器模型的建立35-38
• 3.3 模拟参数的设置38-42
• 3.3.1 湍流模型的选择38-39
• 3.3.2 材料属性及操作条件的设置39
• 3.3.3 边界条件设置39-42
• 3.3.4 其他设置42
• 3.4 集热器结构参数设置42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 PV/T 系统集热器模拟结果分析44-60
• 4.1 网格质量检验44-46
• 4.1.1 网格无关性验证44-45
• 4.1.2 y~+分析45-46
• 4.2 模拟结果分析46-56
• 4.2.1 两种集热板贴管形式在不同管径下换热性能对比46-51
• 4.2.2 三种集热管壁厚下换热性能对比51-52
• 4.2.3 三种不同集热板厚度下的换热性能对比52-54
• 4.2.4 三种不同集热管间距下的换热性能对比54-56
• 4.3 水流速度对集热器换热性能的影响56-58
• 4.4 本章小结58-60
• 结论与展望60-62
• 参考文献62-66
• 致谢66

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