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基于微通道平板热管的光伏光热墙实验研究

郭鹏  
【摘要】:当前能源形势严峻,建筑能耗居高不下,大力发展可再生能源以取代不可再生能源具有非凡意义,而太阳能以其取之不尽、用之不竭、安全性高、清洁无污染等优点备受关注,对其的开发与利用已成为现阶段科学研究的重点和热点。基于传统热管技术以及太阳能光伏光热建筑一体化相关理论及实验研究,本文提出一种基于微通道平板热管的光伏光热墙系统,以期达到提升太阳能的综合利用效率,促进建筑节能减排。本研究采用微通道平板热管取代传统光伏光热系统中的圆铜热管作为集热元件,配合玻璃盖板、光伏电池板、填充材料等构成新型光伏光热墙。系统接收太阳能辐射时,部分太阳能被光伏电池板转换为电能,剩余部分以热能的形式被微通道平板热管吸收,并用于提供热水。微通道平板热管传热性能极佳,集热效果好。又因其能及时带走热量,使光伏电池板保持合理而稳定的工作温度,提高光电转换效率,从而实现太阳能热电综合利用效率的提高。另外系统采用光伏光热墙模块形式,具有结构简单,安装方便,低成本,废物再利用等特性,能够更好的与建筑外表结合或者直接取代部分建筑结构,节省建筑建造成本费用。在研究过程中,将基于微通道平板热管的光伏光热墙分为两种模式进行室内模拟辐射实验测试,用以评价系统的太阳能利用效率及相关特性,并着重分析微通道平板热管对光伏光热墙性能的影响。在装置填充空间中仅填充铝丝而无相变材料的情况为模式一;在装置填充空间填充铝丝和相变材料混合物的情况为模式二。两种模式均通过控制模拟辐射强度和循环管路中循环流量两个变量来研究光伏光热墙的热电性能以及变量对热电性能的影响。将模拟辐射强度设定为300W/m~2、600W/m~2、900W/m~2三个级别,循环流量设定为200L/h、400L/h、600L/h三个级别,配合形成9种测试工况。本研究测试结果表明:微通道平板热管温度变化曲线均可分为启动阶段和高效导热阶段,启动阶段温度上升极快,高效导热阶段温度上升趋势稍缓但稳定,综合来看,均能保持稳定的温度上升趋势,能达到较高的工作温度,使得系统能够提供温度更高的出水。系统瞬时集热效率随辐射强度的增大而减小,而随循环流量先增大后减小,存在最优循环流量使得瞬时集热效率最大,模式一最大瞬时集热效率56.0%,模式二最大瞬时集热效率84.0%。系统平均集热效率随辐射强度的增大而减小,而随循环流量的增大而增大,模式一最大平均集热效率45.9%,模式二最大平均集热效率52.9%。系统光电效率随辐射强度的增大而减小,而随循环流量的增大而增大,模式一最高平均光电效率4.5%,模式二最大平均光电效率7.9%。系统模式一最大综合效率50.4%,模式二最大综合效率60.8%。无论是集热效率还是光电效率,模式二均要比模式一高,这是由于相变材料的加入,利于系统克服辐射强度以及环境因素的波动,增强了系统的集热效果,同时相变材料和铝丝构成的混合物均匀地接触光伏电池,利于光伏电池整体表面温度分布均匀,提升系统光电效率。将系统两种模式分别与文献[29]中基于传统圆铜热管的光伏光热墙进行性能对比发现,相比基于传统圆铜热管的光伏光热墙,基于微通道平板热管的光伏光热墙模式一水温变化值平均每种工况提升4.6℃,集热效率平均每种工况提升11.1%,光电效率两者相当,综合效率平均每种工况提升10.9%;模式二水温变化值平均每种工况提升7.4℃,集热效率平均每种工况提升17.7%,光电效率平均每种工况提升2.6%,综合效率平均每种工况提升20.3%。这是由于微通道平板热管相比传统圆铜热管导热性能更好,更利于提升光伏光热系统的效率。系统建造成本为3970元,静态投资回收期为7.4年,动态投资回收期11.7年,净现值1273元,内部收益率12.09%,各项指标均表明经济性可行。同时系统运行每年节约标准煤139.1kg,石油105.9kg,天然气110.5m~3,减少CO_2、SO_2、NOx、粉尘排放量分别为342.2kg、2.4kg、1.4kg、2.2kg,年减排效益为57.9元;全寿命周期20年内可节约标准煤2782kg,石油2118kg,天然气2210m~3,分别减排CO_2、SO_2、NOx、粉尘6843.6kg、47.4kg、27.8kg、44.6kg,产生减排效益1157.8元,节能减排效果显著。


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