基于传热强化的太阳能PV/T集热器建模与效能优化研究

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在当前技术条件下,太阳能的应用主要集中于太阳电池发电技术、太阳能光热技术和太阳能光伏光热综合利用技术三种形式。而太阳能光伏光热综合利用技术中太阳能PV/T集热器因其成本低、安装方便、冬季无需防冻而得到广泛应用。然而由于太阳电池与空气间换热能力差,最终使得太阳能综合利用效率达不到理想的数值。为此,本文提出一种基于传热强化的太阳能PV/T集热器,该集热器相较于传统集热器,设有双层流道,上流道内设置透明波浪板增强气体流动过程中的扰动,下流道则交错布置肋片,通过肋片不断重新分配空气,降低流道内空气边界层的整体厚度,以提升集热器太阳能综合利用效率。本文首先设计并制作了基于传热强化的太阳能PV/T集热器,并搭建实验平台。之后构建了该太阳能PV/T集热器系统能量传递模型,明晰了该系统中能量的传递过程。接着通过实验数据与模拟结果验证所建立模型的准确性,用于研究影响集热器效能的因素并进行优化。本文主要通过模拟研究了不同结构参数(上/下流道高度比、下流道肋片排布)及运行参数(环境温度、太阳辐照量、空气流量)对该太阳能PV/T集热器效能的影响并提出相关优化设计。研究表明,所选取结构参数会影响到集热器的换热性能,集热器推荐上/下流道高度比设计值为23mm/105mm,推荐的矩形通道当量直径、肋片排数设计值为70mm、3排,此时其太阳能综合利用效率最佳。此外,环境温度增大有利于太阳能综合利用效率的提升。随着太阳辐照提升,光热转换效率提升,但其上升趋势随太阳辐照增大而减缓,光电转换效率随太阳辐照提升而降低。空气流量提升时,太阳能综合利用效率提升,空气出口温度下降,实际工程中调节空气流量需要考虑到集热器效能与空气品质间的平衡。最后进行了两种太阳能PV/T集热器间效能对比的研究,模拟得出本文所提集热器全天平均太阳能综合利用效率相较于对照组提高8.21%。
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