一种基于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统设计方法

摘要

一种基于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统设计方法，将聚光PV/T热水太阳能系统分为聚光、光电转换、平板集热和PV/T集热4个子系统，结合聚光PV/T热水太阳能系统的特性，建立了聚光PV/T热水太阳能系统光电、光热转换效率、热水温度及输出电能的设计优化模型，将聚光PV/T热水太阳能系统的设计参数有机结合在一起，再结合用户对系统输出电能、热能转换效率、热水温度的要求，利用设计模型可以确定PV/T集热器的面积、光伏电池面积、PV/T集热器隔热层的厚度、能量存储器的容量等设计参数，从而完成聚光PV/T热水太阳能系统的优化设计。本发明方法能有效优化、简化聚光PV/T热水太阳能系统的设计过程，达到提高PV/T热水太阳能系统实用化设计目的。

主权项

一种基于模型分析的聚光光伏/热热水太阳能系统设计方法，其特征是，包括有：第一步、确定低聚光PV/T热水太阳能系统的设计参数低聚光PV/T热水太阳能系统由聚光子系统、光电转换子系统、集热子系统和光电/热集成子系统四个部分组成；(1)聚光子系统聚光子系统用于增加PV/T集热器的入射太阳能量，提高系统的输出电能和热能；在利用硅光伏电池的PV/T热水太阳能系统中，将聚光器的聚光率λ设为小于2.5；增加聚光器后，PV/T集热器入射的总太阳辐照度E_i表示为(1)式所示：E_a＝E(1+λ)        (1)上式中，E_a为PV/T集热器入射的总辐照度，E为太阳辐照度，λ为聚光器的聚光率；(2)光电转换子系统在PV/T热水太阳能系统中，光伏电池集成在平板集热器的上表面；光电转换子系统用于转换太阳能为电能；由光伏电池、转换控制器、蓄电池和直流‑交流逆变器等组成；影响聚光PV/T太阳能能系统光电转换特性的参数有光伏电池的光伏电池面积、光电转换效率、光伏电池输出效率系数、光伏电池输出电压、输出电流、输出功率、蓄电池的能量存储效率和直流‑交流逆变器转换效率等；不同参数之间的关系设为：$\eta =\frac{P_m}{A_p{E}_i}=\frac{I_m{U}_m}{A_p{E}_i}=\frac{V_{\mathrm{oc}}{I}_{\mathrm{sc}}\mathrm{FF}}{A_p{E}_i}---\left(2\right)$${\eta }_o=\frac{P_o}{A_p{E}_i}=\frac{I_o{U}_o}{A_p{E}_i}---\left(3\right)$η_o＝kη          (4)P_o＝kηA_pE_i          (5)上式中，η为光伏电池的光电转换效率，η_pv为光伏电池的实际输出转换效率，A_p和E_i分别为光伏电池面积和太阳辐照度；P_m、I_m和V_m分别为最大输出功率点对应的功率、电流和电压；P_o、I_o和V_o分别为光伏电池实际输出功率、电流和电压；k为光伏电池输出效率系数；V_oc和I_sc分别为光伏电池的开路电压和短路电流，FF为填充因子，受温度影响变化较大，对于硅光伏电池，温度每升高1度，其η转换效率大约减少0.45％；转换效率的温度特性表示为：η_pv＝η[1‑0.0045(t_cell‑298K)]       (6)上式中，t_cell为光伏电池温度，单位为K；其与太阳辐照度有关，其表示为：$t_{\mathrm{cell}}=t_a+(\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_i}{800}---\left(7\right)$上式中，t_a为环境温度，单位为K，E_i为太阳辐照度单位为W/m²，NOCT为标称工作温度；另外，光电转换子系统输出电能还受蓄电池和直流‑交流逆变器转换效率的影响；通常，蓄电池的存储效率约为60％，其与所用存储器的种类和存储时间有关；直流‑交流逆变器转换效率为90％；(3)集热器子系统在PV/T热水太阳能系统中，平板集热器是基础，其结构材料直接影响PV/T热水太阳能系统的集热效率；其结构参数包括：水管之间的中心距离，水管的外径，水管的内径，集热管总热损失系数，传热工质与管壁的换热系数，水管与翅片之间的结合热阻，管片之间结合处的导热系数，结合处的平均厚度m，结合处的宽度m，翅片的导热系数，翅片的厚度等；各参数之间的关系用集热效率因子F′表示为：$F^{\prime }=\frac{\frac{1}{U_L}}{W[\frac{1}{U_L[D+(W-D)F]}+\frac{1}{C_b}+\frac{1}{{\mathrm{\pi D}}_i{h}_{f,i}}]}---\left(8\right)$其中，$F=\frac{\tanh [m(W-D)/2]}{m(W-D)/2}$$m=\sqrt{\frac{U_L}{K_{\mathrm{abs}}·L_{\mathrm{abs}}}}$$C_b=\frac{{\lambda }_{b}b}{\gamma }$上式中，W为水管的中心距离(单位m)；D为水管管的外径(单位m)；D_i为水管的内径(单位m)；U_L集热管总热损失系数(单位W/(m².K))；h_f,i传热工质与管壁的换热系数(单位W/(m².K))；C_b为水管与翅片之间的结合热阻(单位W/(m.K))，λ_b为管片之间结合处的导热系数(单位W/(m.K))，γ为结合处的平均厚度(单位m)，b为结合处的宽度(单位m)，K_abs为翅片的导热系数(单位W/(m.K))，L_abs为翅片的厚度(单位m)；(4)光电/热集成子系统光伏电池粘贴在平板集热器上表面，构成PV/T热水型集热器；其能同时产生电能与热能；输出电能特性采用光电转换特性表示,其输出热能包括PV/T热水型集热器的集热效率因子F_pvt和热损失因子；其中，PV/T热水型集热器的集热效率因子F_pvt，由于受光伏电池与集热器集成的结构影响，与平板集热器的集热效率因子不同，表示为：$F_{\mathrm{pvt}}=\frac{\frac{1}{U_L}}{W[\frac{1}{U_L[D+(W-D)F_P]}+\frac{1}{W·h_{\mathrm{ca}}}+\frac{1}{C_b}+\frac{1}{{\mathrm{\pi D}}_i{h}_{f,i}}]}---\left(9\right)$其中，$m_p=\sqrt{\frac{U_L}{K_{\mathrm{abs}}·L_{\mathrm{abs}}+K_{\mathrm{pv}}·L_{\mathrm{pv}}}}$上式中，W为水管的中心距离(单位m)；D为水管的外径(单位m)；D_i为水管的内径(单位m)；U_L集热管总热损失系数(单位W/(m².K))；h_ca为光伏电池与集热器结合处的导热系数(单位W/(m².K))；h_f,i传热工质与管壁的换热系数(单位W/(m².K))；C_b为水管与翅片之间的结合热阻(单位W/(m.K))，λ_b为管片之间结合处的导热系数(单位W/(m.K))，γ为结合处的平均厚度(单位m)，b为结合处的宽度(单位m)，K_abs为翅片的导热系数(单位W/(m.K))，L_abs为翅片的厚度(单位m)；K_pv光伏电池导热系数(单位W/(m.K))；L_pv为光伏电池厚度(单位m)；集热器总的热损失系数U_L，其包括顶部、底部和侧面散热损失，可表示为：U_L＝U_t+U_b+U_e        (10)上式中，U_t表示顶部散热损失、U_b表示低部散热损失、U_e表示顶部散热损失；其中，根据克莱恩公式，顶部散热损失U_t表示为：$U_t={[\frac{N}{\frac{344}{T_P\times {\left(\frac{T_p-T_a}{N+f}\right)}^{0.31}}}+\frac{1}{h_w}]}^{-1}+\frac{\sigma (T_p+T_a)\times ({T_p}^2+{T_a}^2)}{\frac{1}{{ϵ}_p+0.00591N·h_w}+\frac{2N+f-1+0.133{ϵ}_p}{{ϵ}_g}-N}$上式中，f＝(1.0‑0.04h_w+5.0×10^‑4h_w²)×(1+0.058N)h_w＝5.7+3.8υN为透明盖板的层数；T_p为吸热板温度单位K；T_a为环境温度单位K；ε_p为吸热板发射率；ε_g为透明盖板发射率；h_w为环境空气与透明盖板的对流换热系数单位(W/(m²·K))；υ为环境风速(单位m/s)；σ为斯蒂芬‑波尔兹曼(Stefan‑Boltzmann)常数(5.67×10^‑8W/m²·K⁴)；底部散热损失和侧面散热损失是通过底部隔热层和外壳以热传导方式向环境空气散热，作为一维热传导处理，分别表示为：$U_b=\frac{K_b}{L_b}$$U_e=\frac{K_{\mathrm{edge}}}{L_{\mathrm{edge}}}$上式中，K_b为背面隔热层材料的导热系数(单位W/(m·K))；L_b为背部隔热层厚度(单位m)；K_edge为侧面隔热层材料的导热系数(单位W/(m·K))；L_edge为侧面隔热层厚度(单位m)；第二步、建立PV/T热水太阳能系统设计模型根据PV/T热水太阳能系统同时输出电能与热能的特点，并结合用户对输出热水量、温度及输出电能的需求，在各子系统设计参数的基础上，建立PV/T热水太阳能系统设计模型；(1)PV/T热水太阳能系统的热效率及热水温度分析模型a.PV/T热水太阳能系统的热效率分析模型聚光PV/T热水太阳能系统利用光伏电池产生的热量经过集热器为传热工质加热，同时输出电能和热能，是一个双生能系统；其中，PV/T热水太阳能系统的热效率，根据平板太阳能集热器热的基本原理，聚光PV/T太阳能系统光热效率由系统输出有用热能Q_u与PV/T集热器表面入射太阳能量之比表示，如(11)式所示：${\eta }_{\mathrm{th}}=\frac{Q_u}{{\mathrm{AE}}_a}---\left(11\right)$上式中，A为PV/T集热器上表面积，E_a为PV/T集热器入射总辐照度；系统输出有用热能Q_u(单位为W)表示为：Q_U＝(1‑ξ)AF′[E_a(τa)_e‑U_L(t_m‑t_a)]+ξAF″[(E_a(τa)_e‑U_L(t_m‑t_a)]     (12)上式中，(τa)_e为透明盖板透射比与吸热板吸收比的有效乘积，U_L为集热器总的热损失系数，t_m为集热器平均温度，t_a为环境温度，ξ为光伏电池覆盖率，F′为未覆盖光伏电池部分平板集热器效率因子；F_pvt为覆盖光伏电池PV/T集热器效率因子，U_L为集热器总的热损失系数，如(10)式所示；由(11)(12)式，PV/T热水太阳能系统的有用热效率表示为：${\eta }_{\mathrm{th}}=(1-\xi )F^{\prime }{\left(\mathrm{\tau a}\right)}_e+{\mathrm{\xi F}}_{\mathrm{pvt}}{\left(\mathrm{\tau a}\right)}_e-[\frac{(1-\xi )F^{\prime }{U}_L(t_m-t_a)}{E_a}+\frac{{\mathrm{\xi F}}_{\mathrm{pvt}}{U}_L(t_m-t_a)}{E_a}]---\left(13\right)$在PV/T集热器中，考虑到光伏电池与平板集热器直接集成，利用太阳能电池的温度近似代替集热器的温度；因此，由(7)和(13)式将PV/T热水太阳能系统的有用热效率改写为：$\begin{array}{c}{\eta }_{\mathrm{th}}=(1-\xi )F^{\prime }{\left(\mathrm{\tau a}\right)}_e+{\mathrm{\xi F}}_{\mathrm{pvt}}{\left(\mathrm{\tau a}\right)}_e-\\ [\frac{(1-\xi )F^{\prime }{U}_L(\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_a}{800}}{E_a}+\frac{{\mathrm{\xi F}}_{\mathrm{pvt}}{U}_L(\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_a}{800}}{E_a}\end{array}---\left(14\right)$b.PV/T热水太阳能系统的热水温度分析模型根据热水所吸收热量与其温度变化的关系如(15)式所示：Q_Ut＝mC_p(T_f‑T_i)         (15)上式中，t为水加热的时间，Q_Ut为水吸收的总热量，m为水的质量单位kg，C_p为水的比热容(单位J/kg.℃)，T_f为水加热后的最后温度，T_i为水的初始温度；由(14)(15)式，得PV/T热水太阳能系统输出热水温度的分析模型为：$T_f=\frac{\left[(1-\xi ){\mathrm{AF}}^{\prime }\right[E_a{\left(\mathrm{\tau a}\right)}_e-U_L(\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_a}{800}]+{\mathrm{\xi AF}}^{\prime \prime }[(E_a{\left(\mathrm{\tau a}\right)}_e-U_L(\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_a}{800}\left]\right]t}{{\mathrm{mC}}_p}+T_i---\left(16\right)$(2)PV/T热水太阳能系统的输出电效率及电能的分析模型a.PV/T热水太阳能系统输出电效率分析模型根据光伏电池的转换特性如(4)(6)(7)式，结合PV/T热水太阳能系统的结构，光伏电池的输出电效率表示为如(17)式所示：${\eta }_{\mathrm{pv}}=\mathrm{\tau k\eta }[1-0.0045(t_a+((\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_i}{800}-298K)]---\left(17\right)$上式中，τ为透明玻璃罩的透射率，k为光伏电池输出效率系数，其表征光伏电池由于工作点误差导致的转换效率降低程度，小于1，其为光伏电池在平板集热器上表面覆盖的有效面积与集热器上表面积之比，小于1；η为光伏电池光电转换效率；t_a为环境温度，单位为K；由(17)式可得光伏电池的输出电功率为$\mathrm{Po}={\eta }_{\mathrm{pv}}{A}_{\mathrm{pv}}{E}_a=\mathrm{\tau k\eta }[1-0.0045(t_a+((\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_i}{800}-298K)]A_{\mathrm{pv}}{E}_a---\left(18\right)$b.PV/T热水太阳能系统输出电能分析模型PV/T热水太阳能系统工作期间，输出电能根据(18)式表示为(19)式所示：$W=P_{o}t=\mathrm{\tau k\eta }[1-0.0045(t_a+((\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_i}{800}-298K)]A_{\mathrm{pv}}{E}_{a}t---\left(19\right)$上式中，t为一天内系统输出电能的时间(单位：秒)；考虑到蓄电池的存储效率和逆变器的变换效率，PV/T太阳能系统的实际能用电能分析模型为：$W_o={\eta }_b{\eta }_c\mathrm{\tau k\eta }[1-0.0045(t_a+((\mathrm{NOCT}-20)·\frac{E_i}{800}-298K)]A_{\mathrm{pv}}{E}_{a}t---\left(20\right)$上式中，η_b为逆变器的变换效率，η_c为蓄电池的存储效率；蓄电池存储效率与存储容量间的关系表示为(21)式所示:$C\ge \frac{\mathrm{IT}}{{\eta }_c}---\left(21\right)$式中，I为负载电流，单位为安培A，T为蓄电池供电的时间，单位为小时，η_c为能量存储器的存储效率，其与蓄电池的特性有关。