【摘 要】
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由于能源短缺问题和化石能源利用过程中产生的环境问题,太阳能作为一种可再生能源,以其清洁无污染的优势进入人们的视野。目前,太阳能光伏发电技术是太阳能利用的主要手段,在太阳能光伏发电中,为了降低成本,聚光光伏的发展引起人们的重视,而菲涅尔以其质量轻、成本低的优势在聚光光伏利用中应用广泛。本文以菲涅尔聚光光伏系统为研究对象,利用光-热-电-结构耦合的方法,在不同光伏板倾角(α)、聚光器竖直偏离焦距的距离
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由于能源短缺问题和化石能源利用过程中产生的环境问题,太阳能作为一种可再生能源,以其清洁无污染的优势进入人们的视野。目前,太阳能光伏发电技术是太阳能利用的主要手段,在太阳能光伏发电中,为了降低成本,聚光光伏的发展引起人们的重视,而菲涅尔以其质量轻、成本低的优势在聚光光伏利用中应用广泛。本文以菲涅尔聚光光伏系统为研究对象,利用光-热-电-结构耦合的方法,在不同光伏板倾角(α)、聚光器竖直偏离焦距的距离(e)、风速(v)、风向角(θ)等影响参数下,探究有无环境风情况下菲涅尔聚光光伏系统的光学、热、电和结构特性,首先通过蒙特卡洛射线跟踪(MCRT)方法模拟得到光伏板上表面的热流密度分布;然后将光学模拟得到的热流密度分布拟合成曲线并编译成UDF作为热边界条件,通过有限体积法(FVM)获得光伏板的温度场并进一步得到电池的平均电效率变化规律;最后将FVM中计算得到的温度结果通过ANSYS软件中的Workbench平台进行有限元法(FEM)分析,从而得到电池片的热应力分布和挠度的变化规律。本文的研究可为菲涅尔聚光光伏系统的实际工程应用提供一定的理论指导。研究结果表明:(1)在无环境风条件下:α=15°~60°,改变倾角对系统的光学特性、热电特性和结构特性没有明显的影响,而α=75°时,其相应特性的变化相对较大。当α=30°时,|e|越大,光伏板表面的最大热流密度越低,其相应位置略有变化,电池片的最高温度、最大热应力和最大挠度的变化趋势与光伏板上的热流密度分布相似。并且除聚光器的移动距离外,最大热流密度、最高温度、最大热应力和最大挠度也受聚光器移动方向的影响。在α=75°下,聚光器位置的影响更为明显。同时随聚光器偏离理想设计位置越远时,倾角小于等于60°和倾角75°下平均电效率变化规律相反。(2)在有环境风条件下:聚光器位置不变时,v从1m/s变为9m/s的过程中,电池片温度明显降低,引起最大热应力和最大挠度明显下降,电池片平均电效率增加,不同倾角下的电池片平均电效率差异性逐渐减小。聚光器位置保持不变时,随θ从15°增加到75°,导致入射角减小进而引起沿光伏板上表面的速度分量增大,与此同时偏向角随之增大,使得空气沿光伏板的流动距离改变,并最终致使系统的热电和结构特性发生变化。并且在风速较低时风向角对系统热电和结构特性的影响与风速较高时不同。聚光器位置不变时,随θ从15°增加到75°,在倾角30°下电池片整体平均温度、电池片整体平均热应力和最大挠度先单调递减后单调递增,在θ=45°时达到最小值,故此时平均电效率先单调递增后单调递减,在θ=45°时ηel达到最大;倾角75°下电池片整体平均温度、电池片整体平均热应力以及最大挠度随风向角增大表现为先减小后增大再减小的趋势,ηel表现为先升高后降低再升高的趋势。聚光器与光伏板之间的距离偏离焦距时,不同风速和风向角下聚光器位置对系统热电特性和结构特性的影响规律与无风环境下相似,只发生数值上的变化。
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