三结太阳电池在非均匀光照下光斑强度和覆盖比率的优化研究

高倍聚光光伏组件通常采用光电转化效率较高的三结太阳电池.由于聚光器件的非理想性,电池承受的光照分布通常是高度非均匀的,在光伏组件中可通过适当增大光斑与电池面积的比率来降低光照非均匀性对电池电学性能的影响.通过对某一特定三结电池进行电路网络建模计算,分析光斑的强度分布和照射面积对电池的影响,并对比了四种设计方案(均匀光照、非均匀光照、电池效率最大、组件效率最大)下的光斑强度、光斑大小、电池效率以及电池温度分布.对比分析结果表明,组件达到效率最大时的电池效率并不是电池在标准测试条件下的最大效率,而使电池工作在效率最大值的设计方案中组件效率最低.组件效率最大方案中使用的聚光器透镜面积较小,因此该方案将导致组件成本增大.电池效率最大方案中使用的聚光器透镜面积较大并且电池温度最低,故该方案组件成本较低且可靠性较高.这表明在实际组件设计中应充分考虑对发电量的实际需求,选择合适的几何聚光倍数和光斑覆盖电池的比率.     

聚光内球面太阳能电池

为提高阳光利用率和光电转换率,研究了聚光内球面太阳能电池的主要性能,设计了聚光内球面太阳能电池的结构.通过菲涅耳聚光镜将太阳光聚光后射入内表面制备了多晶硅光伏电池的球腔内,在内球面上实现了聚光光伏效应.利用腔内光子气体模型分析计算了内球面上的光照强度,提出硅光电池上的最佳光强概念,计算了在内球面多晶硅电池半导体层厚10 μm时最佳聚光倍数为18、层厚5 μm时最佳聚光倍数为9.应用有限元分析法讨论了聚光内球面太阳能电池系统的温度,在AM1.5,8倍聚光条件下,光伏电池最高温度353.15 K,处于正常工作范围.采用主动风冷或水冷方法提高对流换热系数可大大降低光伏电池温度,稳定工作效率.通过分析硅光电池效率制约因素,设计了内球面光伏电池的优化结构,填充因子可达0.85,阳光辐射功率为800 mW/cm2时,聚光内球面太阳能电池效率将超过33％.     

半抛物槽式聚光分频光伏系统的性能分析

设计了一种包含13层膜系的分频器,建立了考虑太阳张角影响的三维光学模型,研究了分频对半抛物槽式聚光光伏系统的光、热、电性能的影响,得到了系统能量的光谱分布及光伏电池平面能流密度分布.计算结果表明,系统对AM1.5太阳光谱的光学效率为58.7%,对不同聚光镜开口应选择最优电池倾角以获得最均匀的能流密度;采用分频可以降低电池温度提高聚光系统的聚光比以及光电转换效率.     

热板瞬态热性能分析

设计一种用相变散热来扩散热量的热管基板模块,通过热板瞬态性能实验发现热板蒸发端芯体和冷凝端芯体温度降分别占热管总温度降的86%和13%,关闭比启动时温度分布更均匀。热板达到稳态的时间主要取决于传热系数,传热系数越大,达到稳态的时间越短。蒸发端芯体是主要热阻,热板启动和关闭时蒸发端温度始终大于冷凝端温度。同时对各类散热装置进行了热阻分析,确定了热板散热器的传热优化方向。     

以R600A为工质的分离式热管的实验研究

对分离式热管的整体热量传递特性进行了实验研究。以蛇形翅片管作为冷凝段和蒸发段进行热管实验,探讨了蒸发器进风面风温及分离式热管蒸发器与冷凝器之间高度差、工质充注量对分离式热管的影响。实验表明,随着蒸发器进风温度的升高,蒸发器与冷凝器换热系数都是呈现先增大后减小的趋势。在冷凝端进风温度恒定为16.55℃、蒸发端进风温度低于60℃时,以R600A为工质的分离式热管的传热量曲线近似于二次曲线,蒸发端进风温度高于60℃时,其传热量曲线近似于一条直线。加大充液率及增加蒸发器与冷凝器的高度差,分离式热管的传热能力均会得到提高。     

疏水表面对脉动热管性能的影响

本文在紫铜板制作4弯管闭合回路脉动热管,对脉动热管的各部分分别进行疏水处理,采用高速摄像研究脉动热管液弹的脉动运行特性及对传热的影响.实验结果表明,疏水表面影响脉动热管的传热性能,疏水处理后的脉动热管的热阻高于普通紫铜脉动热管,蒸发段的温度升高,且脉动热管易烧干。液弹的脉动频率降低,传热性能下降,完全疏水和蒸发段为疏水表面的脉动热管液弹几乎不脉动,传热性能与普通紫铜板相近.     

聚光光强对光伏电池阵列输出性能的影响

基于槽式聚光热电联供系统,深入分析晶硅电池阵列和砷化镓电池阵列在高倍聚光下的输出特性及输出功率的影响因素.研究结果表明,聚光光强下砷化镓电池阵列输出性能优于晶硅电池阵列,高光强会导致光伏电池禁带宽度变窄,短路电流成倍增加,增加输出功率,但同时耗尽层复合率变大,开路电压降低,制约阵列的输出功率;高光强还引起电池温度升高,电池阵列串联内阻增加.分析表明聚光作用下电池阵列串联内阻对输出功率影响巨大,串联内阻从0 Ω增加1 Ω,四种电池阵列输出功率分别损失67.78%,74.93%,77.30%和58.01%. 关键词： 热电联供 太阳电池阵列 串联内阻 输出功率     

基于棱镜二次聚光的高倍聚光模组聚光特性与三结电池光谱响应匹配与优化

目前Ⅲ-Ⅴ多结高倍聚光(HCPV)太阳电池实验室效率记录已高达46%,而相对应的模组效率与之相差仍较大,其中由于模组中聚光非理想性引起的损失就高达20%.本文通过建立光学模型和非均匀光照的三维电池电路网络模型,以Ⅲ-Ⅴ族三结电池为例,研究了菲涅耳透镜一次聚光、棱镜二次聚光的HCPV模组的聚光特性和光电特性.结果发现.由于光线非平行入射和-菲涅耳透镜的色散现象,使得沿光轴方向短、中、长波段聚光发散及聚光不均匀,从而造成了三结电池的上、中、下各子电池光谱响应失配损失,模组光电转换性能下降;进一步,通过采用棱镜二次聚光,能较好地改善聚光和温度均匀性;通过对光轴方向上短、中、长波段的聚光特性与三结电池光谱响应匹配优化,使得模组输出功率提高10%以上.模拟结果己得到实验验证.     

平板热管内气液两相流动与传热的可视化实验研究

本文基于高速摄像仪设计搭建了平板热管气液两相流动与传热的可视化平台,开展平板热管受限空间内气液两相工质运行状态和相变传热行为的可视化观测。研究结果表明,平板热管存在突然启动和渐进式启动两种启动方式,在高充液率情况发生突然启动,而在低充液率情况下发生渐进式启动。在准稳定运行阶段,蒸发面先处于能量积累状态,随后热量伴随着核态沸腾快速释放到冷凝面,热管蒸发段和冷凝段壁面温度表现出周期性的温度脉动变化。在热量积累过程中平板热管蒸发段与冷凝端之间的传热性能弱,在核态过程中蒸发段与冷凝端之间的传热性能强。     

色散效应对聚光多结太阳电池性能的影响及优化

针对色散效应导致聚光多结太阳电池性能降低的问题,使用分布式三维等效电路模型计算高倍聚光下GaInP/GaInAs/Ge三结太阳电池的输出特性,通过分析电池各层的电压分布、暗电流分布以及横向电流分布,研究了不同电池尺寸下色散效应对电池性能影响的机理.结果表明:色散使多结太阳电池在局部区域的光生电流变得不匹配,随着电池尺寸的减小,局部区域之间失配的光生电流能够以横向电流的形式相互补偿,使电池整体的电流更加匹配,从而减小色散效应的影响.当电池芯片尺寸较大(20 mm×20 mm)时,色散主要降低电池的短路电流密度,色散光斑下电池的效率仅相当于无色散时的94%;当电池芯片尺寸减小到2 mm×2 mm时,短路电流密度与无色散时相等,但横向电阻降低了电池的填充因子.当电池芯片尺寸进一步减小到0.4 mm×0.4 mm时,色散与无色散光斑下电池的各项性能几乎没有差别,效率均约为34.5%,色散效应的影响可忽略不计.     

太阳能光伏光热扁管式蒸发器性能分析

根据太阳能光伏光热蒸发器与制冷系统之间的能量平衡,建立了光伏光热扁管式蒸发器性能的数理模型。该模型考虑了光伏光热扁管式蒸发器的传热系数变化,并分析了太阳辐射强度、环境温度、制冷循环的蒸发温度对光伏光热扁管式蒸发器的电池板温度、电池板光电转换效率、电池板发电功率以及光伏光热蒸发器散热量的影响。     

太阳能高温电解水蒸气制氢系统热力学分析

本文对太阳能高温电解水蒸气制氢系统进行了设计.该系统以太阳能为唯一的一次能源,采用太阳能分频技术,提供高温电解水蒸气制氢所需的电能和热能.此外,利用余热回收器回收电解产物的余热.热力学分析表明:(1)系统制氢效率可达34.8%;(2)太阳能聚光-分频热电联产装置是系统能量和(火用)损失最大的环节.提高电解温度和降低操作电压可减小电解环节的(火用)损失.     

直膨式太阳能热泵热水器的实验研究

建立了直膨式太阳能热泵热水器实验样机,该样机采用裸板式太阳能集热器作为蒸发器。在室内模拟光源(0～1000W/m2)下,对该热水器进行了性能测试,得出热水平均加热功率为1.04 kW,热泵平均COP为4.18。通过对实验数据加以整理和分析,得出了热水温度、集热/蒸发板温度、热水加热功率及热泵COP随太阳辐射强度及运行时间的变化规律,并提出了热泵COP的改善措施。     

双热源空调-热水器一体机冬季制热的实验研究

冬季室外温度低时,空气源热泵系统的蒸发器会结霜,使系统COP降低。所设计的空调-热水器一体机可以制冷、制热、一年四季提供生活用热水。冬季室外温度低时,用太阳能加热后的水作为热泵的低温热源,可以提高热泵的效率。分别用空气源蒸发器和水源蒸发器独立工作使系统给房间制热,实验结果发现水源蒸发器工作时系统的COP平均值为3.56,空气源蒸发器工作时的COP平均值为2.51。     

Estimation of the required collector area of a solar assisted heat pump

The solar assisted heat pump represents a method of increasing the heat pump COP by transferring solar radiation heat to the heat pump evaporator. In this paper a method of calculating the minimum design limit for the collector area based on the second law efficiency is introduced by using a set of experimental data on a certain design of a solar assisted heat pump system during winter time. A comparative study is made between the actual and ideal conditions, and a minimum required area of the collector is suggested.     

低温工况下结霜对翅片管蒸发器性能影响的实验研究

翅片管蒸发器的结霜将增加空气压降 ,增大传热热阻 ,从而直接影响到蒸发器的效率及空气侧平均换热系数。文中就低温工况下结霜对蒸发器性能的影响进行了测试研究 ,为翅片管蒸发器的设计应用提供了重要依据     

Performance Analysis of a New Water-based Microcooling System

In the electronic industry, dissipating the heat load becomes a critical factor for highly developed designs. These require higher power transfer in a more compact size. In the current study, a new microcooling system was developed and tested. It utilizes the enhancement in heat transfer characteristics associated with implementing a vortex promoter in the evaporator segment of a water-based heat pipe. The test evaporator was a cavity of 4-mm diameter and 23-mm length in an electrically heated aluminum block. A helical coil (of various diameters, namely 500, 300, and 250 μm) was introduced to the evaporator segment to act as a vortex promoter. Configurations of a new microcooling system based on a modified heat pipe technology were built and tested. The presented system proves to work efficiently in situations where a closed-loop thermosyphon encounters film boiling limitation. The most efficient configuration has a flow modifier diameter about one-tenth of the evaporator chamber gap, while the diameter of the return line was three-quarters of the evaporator gap. This configuration shows a stable operation characteristic and possesses high thermal efficiency. The maximum heat flux obtained by such a configuration was 305 W/cm² when it runs at 103°C saturated temperature and 0.01°C/W thermal resistance. A uniform temperature distribution along the system was noticed.     

基于菲聂尔透镜的聚焦太阳能PV/T 系统热电性能研究

本文建立了基于菲涅尔透镜的聚焦型PV/T热电联产系统的一维稳态传热模型,对六种不同结构的PV/T系统的热、电效率和(火用)效率进行了计算,利用(火用)效率作为评价标准对六种系统进行了比较.分析表明采用聚焦型PV/T系统,在牺牲少量发电效率的基础上,可以获得具有一定温度的热能;增添玻璃盖板虽然能够减少热损失,但同时使得系统的光学效率降低,减少电池上的能量密度,反而使得系统的(火用)效率降低1%;环境恶劣的情况下,应将集热管外加保温腔体,透镜起到盖板和聚光器的双重作用,在不损失发电量的同时可以提高系统的热效率.     

有压腔式吸热器复杂耦合换热机理数值研究

本文建立了有压腔式太阳能吸热器(PVSR)轴对称计算模型,运用蒙特卡罗光线追踪法(MCRT)模拟了二次聚光器(SC)与有压腔式吸热器(PVR)系统内聚光过程与光热转换过程,进而与计算流体与传热的有限容积方法(FVM)结合研究了高温高压吸热器内复杂耦合传热过程.在此基础上,进一步对比考察了考虑不同换热过程的换热机理,分析...     

直接供液与重力供液制冷系统的对比研究

重力再循环供液是指蒸发器依靠制冷剂自身的重力送入蒸发器,在供液高度大于蒸发器对制冷剂的阻力情况下,部分制冷剂液体在蒸发器和气液分离器所形成的回路中再循环。由于再循环作用不需要外加动力,并强化管内制冷剂的沸腾换热,蒸发器的效率得以明显提高。文中介绍了重力再循环供液制冷系统和蒸发器的结构,提出采用J.Chawla关系式和Shah关联式相结合的方法预测再循环蒸发器制冷剂侧的换热系数。采用空气侧热平衡法,对直接膨胀供液和重力再循环供液制冷系统分别进行了多蒸发温度下的性能测试。表明重力再循环供液制冷系统比直接膨胀供液制冷系统的制冷量平均增加26%,COP平均增加18%,蒸发温度平均升高1.1℃,传热系数是直接供液的1.57倍。J.Chawla关系式和Shah关联式相结合预测再循环蒸发器制冷剂侧的换热系数,其曲线结构与实验值近似,平均误差不大于20.6%。文章还对各热工参数的变化原因进行了分析。