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太阳能文献
毕业设计(论文)开题报告
论文题目
聚光型混合光伏光热系统设计与性能分析
一、选题背景和意义:
近几年国际上光伏发电快速发展,美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划,1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”,日本1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费为9200万美元。
美国计划到2010年安装1000~3000MW太阳电池,日本的目标是7600Mw。
印度计划1998一2002年太阳电池总产量为150MW,其中2002年为50MW。
国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向井网发电和与建筑结合供电的方向发展,光伏发电已由补充能源向替代能源过渡
随着化石能源的枯竭,新能源开发和可再生清洁能源是21世纪世界经济发展中起着决定性的作用。
充分开发利用太阳能已经成为世界多国政府可持续发展能源的重大举措,其中阳光发电则最受关注。
太阳能发电将会在不远的未来大规模使用,目前可解决特殊应用领域的需求。
到2030年光伏发电可能将占全世界总发电量的5一20%。
太阳电池发电有许多优点,如安全可靠,无噪声,无污染,能量来源于太阳,不受地域限制,无需消耗燃料,无机械转动部件,故障率低,维护简便,可以无人值守,建设周期短,规模大小随意,无需架设输电线路,可以方便地与建筑物相结合等。
这些优点都是常规发电和其它发电方式所不及的。
二、课题关键问题及难点:
聚光型混和PV/T组件设计。
给定聚光条件下PV/T电池组件的电气及热性能的模拟计算。
设计相应的PV/T系统。
PV接收器的温度关系。
非均匀性对整个电池的影响。
纵向光通量的分析结果。
实验组件搭建的问题和使用方法。
注:
开题报告可单独装订,但在院(系)范围内,封面和装订格式必须统一。
三、文献综述(或调研报告):
光伏电池的原理
光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。
它的种类很多,大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。
其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池:
化合物半导体光伏电池包括砷化镓光伏电池等。
目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池,因为其资源丰富、转换效率较高。
当用适当波长的光照射到半导体系统上时,系统吸收光后两端产生电动势,这种现象称为光生伏特效应。
例如,当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P--N结上时,在一定条件下,光能被半导体吸收后,在导带和价带中产生非平衡载流予一电子和空穴。
由于P—N结势垒区存在着较强的内建静电场,因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴,或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴,在内建静电场的作用下,各向相反方向运动。
离开势垒区,结果使P区电势升高,N区电势降低,P—N结两端形成光生电动势,这就是P—N结的光生伏特效应。
由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移,从而在内部构成自N区流向P区的光生电流,在P--N结短路情况下构成短路电流Isc。
在P--N结开路清况下,P—N结两端建立起光生电势差Voc,这就是开路电压。
如将P--N结与外电路接通,只要光照不停止,就会不断地有电流流过电路,P—N结起了电源的作用,这就是光电池的基本工作原理。
光伏发电系统
光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置,根据光伏系统与电网的关系,可以分为独立光伏系统和并网发电系统,独立系统常用在远离电网的偏远地区,它利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能,当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时,由蓄电池进行补充,而当其输出的功率超出负载需求时,将电能储存在蓄电池中
水冷却型bipv/t系统
光伏光热一体化结构由光伏电池(阵列)、阵列背面与外墙面间的流体冷却通道、固定支架、流体入口、流体出口及墙体组成[6]。
其中,光伏电池阵列与其背面的流体通道组成一个光伏光热一体化(PV/T)收集器,PV/T收集器中,光伏模板被用来吸收太阳辐射,并将其中的一小部分转化为电能,剩余的能量就被转化为热,这些热被紧贴在光伏组件背面的通道中的流体带走。
系统构造
水冷模式是在光伏模块背面设置吸热表面和流体通道,构成光伏光热模块,通过流道中水带走
热量,这样既有效的降低了光伏电池的温度,提高了光电效率,又有效的利用了余热,获得了热水,这种在外表面设置了光伏光热模块、以水为流体的墙体就是光伏热水一体墙[7]。
光伏热水一体墙系统由光伏光热模块、直流循环水泵、水箱、连接管道及支撑框架组成[8]。
铺设
到普通混凝土墙体外表面的光伏光热模块的结构如图1所示。
光伏模块由多晶硅电池做成,流道横截面为长方形,以导热性能好的铝为制作材料,每个光伏光热模块的四周也填充有绝热材料,绝热性能好,散热面积不大。
系统白天运行,靠直流循环水泵强迫水循环,加强换热效果,以有效抑制电池温度的升高,提高光电效率,同时得到热水。
系统性能
单独从热效率看,一体化系统与传统的太阳能热水器效率(约为50%)相差不大[9],仅从这一
点看,对于生活热水和工业热水需求量较大的地区,光伏热水一体墙技术就已经具有相当大的竞争力。
由于水流吸收了使硅电池转换效率下降的
余热,使光伏阵列的工作温度有所降低,从而使系统的发电效率比传统的光伏系统有很大提高。
用热效率与电效率之和综合评价PV/T系统的能量利用特性,可以看出PV/T系统有较高的热效率和电效率,系统综合性能效率大于60%,比单一热水系统或光伏系统效率有显著提高[10]。
因此一体化系统将太阳电池整合在热水器的吸热表面上,提高了单位集热面积的能量产出,在可利用面积有限的场合,如屋顶或建筑物外墙,可以充分利用受光面积得到更多的热电产出。
另外,与等厚度的南向普通混凝土墙相比,光伏热水一体墙不仅有很好的热收益和电收益,同时由于改变了建筑物维护结构的性质,对室内热环境有很好的改善效果,尤其在夏季和冬季,墙体得热引起的室内空调负荷可减少50%以上[4],效果非常明显,大大节约了电能。
空气冷却型BIPV/T系统
系统构造
有通风流道的光伏墙体一体化结构包括建筑墙体、光伏模块、模块与墙体间的通风流道以及流道两端的空气进口和出口[11]。
如图2所示。
在大多数空气型PV/T系统中,比光伏组件
温度低的空气(通常为环境空气)在位于光伏组件背面与绝热墙壁之间的空气通道内流动。
而在其他一些系统中,空气通道位于光伏组件的两个表面,并联或串联连接。
通常情况下,热吸收系统是通过位于光伏组件背面的直接热接触进行自然或强制对流换热,热效率取决于空气通道的深度、空气流道形式和流通速度[12]。
因为空气的密度较低,导致空气型PV/T系统的热吸收率不及水型PV/T系统高,因此,为了使空气型PV/T系统具有较高的效率和更好的实用价值,需要对系统进行进一步的改进(如图3)。
其中,最简单实用的方法就是将空气通道的表面设计为粗糙面(a),这样可以使热吸收量提高大约30%[7]。
更为有效的办法是在空气通道内添加一些肋片(b),这样可以在空气通道内产生漩涡,从而使传热性能提高大概4倍[13]。
另外,在空气通道内加装一块褶皱板(c),这样不仅产生了扰动,还增加了通道内的换热面积,这种方法非常有效的提高了空气通道内的传热,是一种很有前途的改进方案[7
图2 有通风流道的光伏墙体
PVT集热器
Pvt集热器的主要部件为太阳电池和集热板,为了降低集热器的热损失,通常在电池上方安装一层或二层玻璃盖板,在背部和边缘包上一定厚度的保温层,所有部件最后用金属框架封装为一体,由于空气密度低,热容比水小,为了降低电池温度,需要较大的窄气质量流率,
所以Pvt空气集热器冷却流道的截面积要比液体集热器的大。
PVT液体集热器的传热性能通常比空气集热器好,因此,PvT液体集热器的效率高于PvT空气集热器。
盖板对集热器的影响表现为:
无盖板的PvT集热器具有较高的电池效率,但流体出口温度不高;而有盖板的PvT液体集热器具有较高的热效率和流体出口温度,但盖板会降低入射光的透过率,使电池效率下降。
太阳电池可选用单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它薄膜材料,一般选用效率较高的单晶硅和多晶硅材料电池。
光热联合收集器系统
抛物面槽式聚光装置是应用前景最广阔的低倍聚光装置之一。
由于我国光伏技术水不高,太阳电池不能承受高倍率聚光,因此,研究低倍聚光的抛物面槽式聚光器具有现实意义。
抛物面槽式聚光装置最大的优势在于它提供的高光强可以提高电池开路电压,另方面,它以廉价的反射器代替了昂贵的太阳电池,能降低光伏系统的成本。
CHAPS原型是单个槽,长15米,如图1.BruceHall由相同的部件组成,但它由八个槽构成,每个槽长度24米。
镜子,接收器和太阳能电池的宽度为分别为1.55m,0.08m和0.04m,提供了一个集中比率为37·(不含由于接收器造成的阴影)的几何尺寸。
由anu制造的太阳能电池(图2),有低内部串联电阻的单晶硅太阳能电池,因为集中辐射下高电流密度对填充电池的材料有着显著影响。
约0.043xcm2的低电阻系列在anu聚光电池实现
图1
图2
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四、方案(设计方案、或研究方案、研制方案)论证:
1)根据系统热电应用要求,设计制造适用于聚光条件下的低倍混合型光伏光热PV/T电池组件。
光热联合收集器(CHAPS)由可高效率聚焦光线和可发电的单晶硅太阳能电池的金属玻璃镜组成。
抗冻结和防腐的水,在电池后面的管道中流动,带走大部分剩余能量比如热。
也可通过翅片散热,或通过热交换器用于建筑供暖和生活热水。
2)计算给定聚光条件下PV/T电池组件的电气及热性能。
热输出Q_th和电气输出Q_elec计算
其中CP是流体平均温度比热,in是质量流量,Tout和Tin分别为流体的出口和入口温度。
IMP和VMP接收器在最大功率点的当前值和电压值。
电压热效率GTH和电效率gelec由计算得出:
3)反射式低倍聚光器根据设计优化。
结合聚光器设计,测量PV/T电池组件的实际电学及热性能。
PV接收器收温度影响,温度对电压敏感度影响的原因是反向饱和电流J0随温度增加迅速。
短路电流随温度变化很小。
光照不均对整个电池也存在影响。
流体流速也会对电池效率造成影响。
故需要在不同的条件下实际测量其电学及热性能,并与计算值比较。
4)优化系统整体设计,检验其在不同气候条件下的性能。
达成光学的一致性是pv系统中集中器的关键。
因为只要一个电池的光照较低就会影响到整个电池组。
槽的纵向非均匀光通量对电性能影响显著。
通量剖面的最低倾角是镜面间斜坡误差组合的结果。
非均匀光照和温度会使整个电池的填充因子软化和减少开路电压。
聚光电池的温度和效率之间的关系已由实验测出。
结果表明效率随温度下降的速度为0.35%/℃,主要受开路电压下降的影响,并在不同的气候条件下测试其性能。
五、进度安排:
起止日期工作内容
第1阶段
2012.1.1-2.24资料收集,文献阅读和翻译
第2阶段
2012.2.25-3.20完成开题报告
第3阶段
2012.3.21-4.25设计混合型光伏光热组件及计算
第4阶段
2012.4.26-5.26系统设计及性能测试优化
第5阶段2012.5.27-6.4毕业设计论文初稿,修改
第6阶段
2012.6.5-6.8毕业设计论文定稿,答辩
六、指导教师意见:
签名:
年月日
七、开题审查小组意见:
签名:
年月日
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