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光伏光热综合利用系统集热器结构设计与性能研究

彭文  
【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。


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