太阳能通常指的是来自太阳的辐射能量与热量,是由于太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放的巨大核能而产生的。太阳能作为一种热辐射能,需要及时转化为其他形式的能量才能被利用。当下,太阳能的利用形式主要有两种,一种是光热利用,通过反射吸收等方式来集中太阳辐射,使之产生足够高的温度以满足各种类型的负载要求,或通过集中的太阳辐射加热集热器中的介质,然后将热能转化为机械能,再将机械能转化为电能。另一种是光电利用,是指通过半导体材料的光伏效应,将太阳辐射转换为电能。目前,商业太阳能电池在将太阳辐射能转化为电能时效率较低,并且在光电转换期间,大部分被电池板吸收的能量转化为热量逸散到周围环境中。提高废热收集能力和提升能源转化率可以有效改善能源利用效率,太阳能光伏光热系统(PV/T)在提供电能的同时可以提供热水或者其他形式的热能,从而使太阳能总利用效率得到提升。因此,近几十年来,PV/T系统被大规模研究、开发与利用。本文第一章简要叙述了全球能源现状和我国能源现状,分析了新能源的开发与利用趋势,介绍了太阳能技术中光伏光热集热器系统,并分析其功能的改进与性能的优化方向,引入了两种功能热流体—纳米流体和微胶囊相变流体。第二章则研究了使用纳米流体作为冷却介质的板管式PV/T集热器在不同条件下的动态性能,分析了纳米流体的种类、体积浓度、粒子直径与质量流率等因素对集热器电、热性能的影响,探究了PV/T集热器的各项性能在一天之中随气候条件变化的趋势。第三章阐述了一种微胶囊相变流体,将其作为工作介质引入平板式PV/T集热器中,研究了微胶囊相变流体的质量分数、质量流率对集热器性能的影响,并对集热器的模拟结果进行对比分析,提出了优化能量输出的思路。在模拟计算中,使用了Matlab等软件,根据能量平衡方程建立了各PV/T集热器的数理模型,计算并得到了集热器在确定的气候环境下,工作流体出口温度、电池板温度、光伏效率、电功率和热功率等性能参数的变化趋势。在文章的最后,总结了模拟计算的结果,对接下来的工作发展提出了一些建议。各章主要结论如下:1.采用纳米流体的板管式PV/T集热器动态性能不同参数设置的板管式PV//T集热器在一天之中电池板温度、光伏转换效率、电功率、热功率等变化趋势一致,其中电池板温度、电功率、热功率在一天之中随着光照辐射强度与温度的升高而升高,呈现先上升后下降的趋势,而光伏转换效率的变化与之相反,随着光照强度的增加而降低,在一天之中先下降后上升。在所选择的两种纳米流体中,Al2O3/水纳米流体比Ti02/水纳米流体具有更优越的性能,且当Al203/水纳米流体的体积浓度为10%时PV/T集热器具有最高的电功率与热功率。此外,提高纳米流体质量流率可以改善系统性能,质量流率为0.03kg/s时的PV/T集热器电功率远高于质量流率为0.0lkg/s、0.001kg/s和0.0005kg/s的PV/T集热器电功率。质量流率为0.03kg/s比0.0005kg/s的PV/T集热器电功率提升了约8.33%,热功率提升约为12.11%。在板管式PV/T集热器结构设计中,增加工作流体管道直径可以提高PV/T集热器电热性能,管径0.015m的PV/T集热器的电功率和热功率高于管径0.005m和0.008m的集热器的电功率和热功率。2.采用微胶囊相变流体的平板式PV/T集热器动态性能使用微胶囊相变流体(MPCS)作为工作流体的PV/T集热器的热效率、电效率和总效率始终高于使用水的PV/T集热器,使用MPCS作为工作流体的PV/T集热器的总效率在12:00时可达到67.39%,比使用水高约4.162%。MPCS的使用是通过控制工作流体的温度以获得理想的传热性能。相变过程对热对流传热具有重大影响,从而导致使用MPCS的工作流体温度和电池板的温度变化远小于使用水的集热器中工作流体与电池板的温度变化。当MPCS质量分数为20%wt、MPCS流速为0.005kg/s、通道高度为0.010m时,PV/T集热器可以获得最高总效率。当MPCS质量分数增加时,光伏电池温度下降得越来越慢,因为MPCS在到达出口区域时尚未完成熔化过程。此外,PV/T集热器的热效率受太阳辐射强度和环境温度的影响,而电效率主要受太阳辐射强度支配。3.PV/T集热器能量输出优化工作流体质量流率是优化PV/T集热器工作性能最重要的参数。无论是采用何种工质,提高质量流率均能提高PV/T集热器电、热效率。以使用MPCS的平板式PV/T集热器为例,在环境温度为34℃、太阳辐射强度为峰值1014W/m2的气候条件下,当MPCS质量分数为20wt%时,0.003kg/s、0.005kg/s和0.008kg/s流速下PV/T集热器的电功率分别为33.21W、34.06W和34.64W,热效率分别为54.67%、59.07%和62.08%,热功率为277.21W、299.46W和314.78W,总效率为61.22%、65.78%和68.91%。MPCS质量流率的增加可以显着改善PV/T集热器的热性能。此外,适度调整工作流体的管道高度也可以改善PV/T集热器电、热性能,当其它参数不变时,在0.010m、0.015m和0.020m三个通道高度中,使用MPCS的平板式PV/T集热器的电功率分别为34.36W、34.06W和33.81W,热功率分别为307.31W、299.46W和292.83W,总效率分别为67.39%、65.78%和64.42%,这是由于过大的通道高度会降低MPCS流体与光伏模块相接触的面积,从而减小了MPCS吸收的热量。而在应用纳米流体的板管式PV/T集热器中,缩小管道直径同样可以有效降低电池板温度,管道直径为0.005m的的集热器其电池温度远低于管径为0.008m和0.015m的集热器,最大温差为13.87℃,管径为0.005m的PV/T集热器的电、热功率高于管径0.015m的集热器的电热功率,其最大电功率差为3.86W,最大热功率差可达24.78W,较小的管道直径可以增加工作流体与电池板的接触面积,从而增加了纳米流体吸收的热量,使得热功率增加,同时光伏效率升高、也增加了电功率。