重力熱管在太陽能光電光熱利用中的實驗和理論研究.pdf

1、在我國，目前建筑能耗約占全社會總能耗的1/3左右，其中占比最大的建筑能耗是采暖和制冷。與氣候條件相近的發(fā)達(dá)國家相比，我國建筑每平方米采暖能耗約是發(fā)達(dá)國家的3倍。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，對冬季采暖和夏季制冷的需求會逐漸提高，給我國建筑節(jié)能提出了巨大挑戰(zhàn)。
　　 隨著常規(guī)能源的日益枯竭和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，太陽能因其清潔、綠色、可再生的特點，引起人們的關(guān)注。但是太陽能存在間歇性及能流密度低的特點，規(guī)模使用需要很大的面積。在城市，

2、太陽能與建筑具有非常好的結(jié)合性，建筑可以為太陽能的應(yīng)用提供載體，而太陽能可以大大減小建筑的能耗。光伏發(fā)電技術(shù)和太陽能光熱技術(shù)作為太陽能的兩種主要利用方式，近年來得到了迅速的發(fā)展。太陽能光熱技術(shù)是目前最成熟、普及率最高的太陽能技術(shù)，目前最常見的太陽能光熱利用方式為太陽能熱水、太陽能空氣采暖以及太陽能熱泵。太陽能光伏光熱綜合利用（PV/T）技術(shù)將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和太陽能光熱技術(shù)有機結(jié)合，一方面系統(tǒng)可以同時得到電能和熱能，提高了太陽能的綜合

3、利用率;另一方面，冷卻流體可以帶走光伏電池的熱量，降低電池工作溫度，提高電池的光電效率。
　　 重力熱管是一種具有良好傳熱性能的元件，依靠自身內(nèi)部工作液體的相變實現(xiàn)傳熱。重力熱管與普通的太陽能平板集熱器或PV/T集熱器具有很好的結(jié)合性，可以解決普通水冷系統(tǒng)冬季結(jié)冰的問題，同時通過熱管的間接傳熱避免了集熱器吸熱板芯的腐蝕，提高了集熱器的壽命;另外熱管具有非常好的等溫性，與PV/T結(jié)合時可以降低光伏電池間的溫度差異，提高其光電轉(zhuǎn)化效

4、率。熱管與太陽能集熱器結(jié)合方式主要有兩種，一種是將普通的整體式重力熱管（簡稱整體熱管）與太陽能集熱器的結(jié)合;另外一種是重力環(huán)形熱管（簡稱環(huán)形熱管）的改造，將整個集熱器作為環(huán)形熱管的蒸發(fā)段，將水箱里面的盤管作為冷凝段。環(huán)形熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分離的特性使其與建筑具有非常好的結(jié)合性;同時環(huán)形熱管和熱泵也具有非常好的結(jié)合性，二者可以采用相同的循環(huán)工質(zhì)，可以采用相同的集熱器-蒸發(fā)器，可以大大簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
　　 本文將整體熱管和環(huán)形熱

5、管與普通的太陽能集熱器和PV/T集熱器結(jié)合，提出了整體熱管式PV/T系統(tǒng)、環(huán)形熱管式太陽能光熱系統(tǒng)、環(huán)形熱管式PV/T系統(tǒng);同時將環(huán)形熱管與光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)結(jié)合，提出了光伏-太陽能環(huán)形熱管/熱泵復(fù)合系統(tǒng)（PV-SALHP/HP）。環(huán)形熱管可以減小熱泵系統(tǒng)的能耗，熱泵可以彌補太陽能間歇性的特點，通過對熱管運行模式和熱泵運行模式的切換可以提高設(shè)備利用率和太陽能利用率。
　　 本文的研究工作主要包括以下幾個方面:
　　 (

6、1)設(shè)計和搭建了整體熱管式PV/T系統(tǒng)，并對系統(tǒng)在有、無玻璃蓋板下的綜合性能進行了比較。結(jié)果顯示，有玻璃蓋板時系統(tǒng)日平均光熱效率為41.30％，日平均光電效率為9.42％，日平均(炯)效率為6.87％。無蓋板時系統(tǒng)的日平均光熱效率為37.16％，日平均光電效率11.51％，日平均(炯)效率為8.01％。同時建立了整體熱管式PV/T系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并與實驗結(jié)果進行了對比，結(jié)果表明二者具有很好的一致性。
　　 (2)設(shè)計和搭建了

7、環(huán)形熱管式PV/T系統(tǒng)和普通水冷型PV/T系統(tǒng)的對比實驗臺，并對二者的綜合性能進行了比較分析。結(jié)果表明，環(huán)形熱管式PV/T系統(tǒng)具有較低的光熱效率，較高的光電效率，但是二者具有相近的(炯)效率。
　　 (3)設(shè)計和搭建了環(huán)形熱管式太陽能光熱系統(tǒng)，對不同充注量下系統(tǒng)的熱性能進行了長期的室外測試，并通過三次線性插值的方式求解出了系統(tǒng)的最佳充注量。結(jié)果顯示，不同充注量下，集熱器和系統(tǒng)的熱性能擬合都呈現(xiàn)相同的趨勢，為先增大后減小，而熱損都

8、是逐漸減小;系統(tǒng)最佳的體積充注量為36.6％。
　　 (4)設(shè)計和搭建了動力環(huán)形熱管式太陽能光熱系統(tǒng)，并對50％體積充注量下系統(tǒng)的熱性能進行了實驗研究。結(jié)果表明擬合后的集熱器和系統(tǒng)的熱性能與普通的水冷型光熱系統(tǒng)性能接近，擬合系統(tǒng)日平均熱效率為51.4％。
　　 (5)建立了直膨式光伏-太陽能熱泵系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并與實驗結(jié)果進行了驗證。結(jié)果表明，對壓縮機功率及水箱溫度的模擬具有較好的一致性;由于壓縮機模型中未考慮兩相的

9、影響，光電效率只考慮了溫度對效率的影響，模擬的壓縮機進口壓力和光電效率與實驗結(jié)果具有較大的誤差。
　　 (6)設(shè)計和搭建了光伏-太陽能環(huán)形熱管/熱泵復(fù)合系統(tǒng)（PV-SALHP/HP），并對熱管單獨運行模式下和熱泵運行模式下系統(tǒng)的性能進行了實驗研究。研究結(jié)果表明，熱管單獨運行模式下，系統(tǒng)的日平均熱效率為43.6％，日平均光電效率為11.3％;熱泵單獨運行模型，系統(tǒng)的日平均COP為3.66，日平均光電效率為12.1％，日平均光熱效率