不均勻溫度和輻照分布對太陽能PV-T系統(tǒng)中光電性能影響的研究.pdf

1、能源儲備和環(huán)境污染是當(dāng)今世界共同面對的兩個嚴(yán)峻的社會問題。太陽能作為一種環(huán)保型新能源，越來越受到社會的關(guān)注?，F(xiàn)階段太陽能利用的多種方式中，真正具有實用意義的主要是光熱利用和光電利用。光熱利用效率較高，一般在55％左右，但獲得的是低品位的熱能;光電利用可以獲得高品位電能，但由于絕大部分長波輻照無法利用，導(dǎo)致太陽輻照的總利用效率較低。太陽能光電光熱綜合利用（PV/T）技術(shù)可以同時進行光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換，顯著提高了太陽能的光電光熱綜合利用率，

2、其理論綜合效率可達60-80％，是目前太陽能應(yīng)用研究中的重要方向。
　　由于PV/T系統(tǒng)應(yīng)用過程中同時包含光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換，因此光熱轉(zhuǎn)換本身以及其對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求會影響到光電轉(zhuǎn)換過程，具體表現(xiàn)在系統(tǒng)的溫度分布和輻照分布兩方面。一方面，由于PV/T系統(tǒng)中光熱利用對換熱工質(zhì)的溫度要求，使得進出口的工質(zhì)往往具有明顯的溫度差，鑒于集換熱結(jié)構(gòu)與光電部件之間的良好導(dǎo)熱性以及外層的保溫隔熱措施，這一工質(zhì)的溫度變化也會影響到光電部件，導(dǎo)致電

3、池的溫度分布沿工質(zhì)的流動方向而產(chǎn)生變化。另一方面，PV/T系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性會導(dǎo)致邊框陰影等輻照分布不均勻的現(xiàn)象。由于溫度對太陽能電池的短路電流和開路電壓有直接影響，電池的光生電流與輻照強度近似呈線性變化。因此，不均勻的溫度分布和輻照將導(dǎo)致光電組件內(nèi)部的電壓和電流分布差異，從而導(dǎo)致電池失配，降低系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。
　　目前對PV/T系統(tǒng)的研究中，較少關(guān)注到溫度和輻照的非均勻分布，而二者對系統(tǒng)輸出性能帶來的影響也缺乏探討。過去對PV/

4、T系統(tǒng)的建模大多關(guān)注的是光熱性能，對光電性能的模擬一般是直接套用光伏系統(tǒng)的模型，但PV/T系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換過程會受到集換熱部分的影響，直接利用光伏系統(tǒng)的模型來模擬PV/T系統(tǒng)的光電性能是否準(zhǔn)確，有待進一步的討論。
　　基于以上分析，本文將針對PV/T系統(tǒng)中溫度分布和輻照分布不均勻的特性，建立系統(tǒng)的分布式光電性能模擬模型，對系統(tǒng)的光電性能進行實驗測試分析和理論模擬預(yù)測。研究結(jié)果可以對PV/T系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路串并聯(lián)、太陽能電池分

5、布、PV/T模塊封裝工藝等關(guān)鍵性問題提供優(yōu)化建議，為PV/T的性能分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和數(shù)值模型。具體的研究內(nèi)容包含以下幾個方面:
　　(1)通過實驗測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對傳統(tǒng)太陽能電池模型進行拓展和修正，使其可以應(yīng)用于非均勻輻照下的電池性能模擬，且其中所涉及到的計算參數(shù)很容易從電池供應(yīng)商處獲得。在此基礎(chǔ)上，以平板PV/T系統(tǒng)為主，針對PV/T系統(tǒng)中溫度分布和輻照分布不均勻的特性，建立系統(tǒng)的分布式光電性能分析模型，在

6、該模型中，每塊電池都可以作為一個單獨的節(jié)點進行參數(shù)賦值。另外，設(shè)計和搭建實驗平臺，對該模型進行實驗驗證，使得該模型可以應(yīng)用于非均勻輻照下的PV/T系統(tǒng)的模擬。研究結(jié)果可以為PV/T的光電性能分析和優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和數(shù)值模型。
　　(2)針對PV/T系統(tǒng)中的溫度分布特點，即平均溫度隨時間變化范圍大和溫度空間分布差異比較明顯，分析典型PV/T系統(tǒng)中由于集熱器結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致的溫度分布規(guī)律;建立串聯(lián)電路和并聯(lián)電路兩種光伏連接電路的數(shù)學(xué)模

7、型，分別在最大功率跟蹤模式和定壓運行模式下，對單晶硅電池、多晶硅電池、硅薄膜電池、三結(jié)非晶硅電池等四種太陽能電池組成的PV/T系統(tǒng)中的多項光電性能參數(shù)受溫度因素的影響進行分析。
　　(3)針對平板PV/T系統(tǒng)中常見的邊框陰影遮擋現(xiàn)象進行研究。建立邊框陰影的分布模型，分析平板PV/T系統(tǒng)中的陰影分布規(guī)律;利用非均勻輻照下的PV/T系統(tǒng)分布式光電性能分析模型，對邊框陰影遮擋下的系統(tǒng)瞬時光電性能進行模擬;在此基礎(chǔ)上，就邊框陰影對系統(tǒng)累積

8、光電性能的影響進行分析，同時并比較串聯(lián)電路和并聯(lián)電路二者之間的性能差異。
　　(4)針對BIPV/T系統(tǒng)中邊框陰影的分布特點，建立系統(tǒng)的邊框陰影分布模型，對邊框陰影在不同時段不同季節(jié)的分布情況進行詳細介紹，討論其隨太陽高度角、方位角、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及朝向之間的關(guān)系;同時，利用PV/T系統(tǒng)的分布式光電性能分析模型，研究邊框陰影對系統(tǒng)瞬時光電效率的影響;在此基礎(chǔ)上，根據(jù)合肥地區(qū)的典型氣象年數(shù)據(jù)，對BIPV/T系統(tǒng)的年平均輸出性能進行估算，評