【摘 要】
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基于目前能源消费结构不平衡的现状以及要实现“2030碳达峰、2060碳中和”的目标,我国正在加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系,同时太阳能因清洁可再生、即产即供等优点得到快速发展。空冷式太阳能光伏光热（Photovoltaic/Thermal,PV/T）技术由于结构简单、装置轻巧和能效较高等优点已成为太阳能利用技术的主要方式之一。本文将高效传热元件-微热管阵列（Micro Heat Pipe A
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基于目前能源消费结构不平衡的现状以及要实现“2030碳达峰、2060碳中和”的目标,我国正在加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系,同时太阳能因清洁可再生、即产即供等优点得到快速发展。空冷式太阳能光伏光热（Photovoltaic/Thermal,PV/T）技术由于结构简单、装置轻巧和能效较高等优点已成为太阳能利用技术的主要方式之一。本文将高效传热元件-微热管阵列（Micro Heat Pipe Array,MHPA）和多孔锯齿形翅片结合,应用于太阳能光伏背板,设计出一种运行可靠且成本较低的空冷式PV/T系统,并在湖北宜昌地区展开相应的实验与理论模拟研究,相关成果将为空冷式PV/T系统的优化和应用提供理论依据。主要工作内容与结论如下:首先,设计并搭建空冷式PV/T系统,对其运行特性进行实验测试与分析。结果表明,秋季典型工况下系统的日均光电效率为11.79%,集热效率为24.75%,综合效率为55.78%;实验测试范围内,系统综合效率与辐照度、环境温度及空气流速呈正相关。系统在全生命周期内可节约煤炭2.70 t,减少CO2和SO2排放量分别为7.18 t和53.93 kg,节能效益明显。此外,将本系统与现有的空冷式PV/T系统对比,本系统在实验可操作性、系统制作工艺以及综合性能等方面具有一定优势,可有效实现光伏余热的高效利用。其次,运用MATLAB通过集中参数法建立空冷式PV/T系统的数学传热模型及发电模型,分析各个传热单元间的换热过程,以光电效率和集热效率两个评价指标为出发点,根据实验结果验证数学模型的准确性,为后续对空冷式PV/T系统性能的研究及优化奠定基础。最后,采用控制变量法,利用稳态模型分析了太阳辐照度、环境温度、空气流速对PV/T系统性能的影响规律,结果表明,辐照度和环境温度的增大可提高系统的集热效率,但会降低光电效率;模拟范围内的空气流速与系统的综合性能呈正相关。此外,从结构方面对系统进行优化分析,结果表明:翅片高度在6～18 mm时系统性能最优;而MHPA冷凝段长度在对系统性能影响较小,在优化时可酌情设计;对于风道长度,以光伏组件的长度为基准越小越好;风道截面积则依据MHPA冷凝段的长度而定。
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