太陽能光伏熱氣流復合系統發電性能的實驗研究

黃亮一，曹飛

（河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022）

太陽能光伏熱氣流復合系統發電性能的實驗研究

黃亮一，曹飛

（河海大學機電工程學院，江蘇常州 213022）

實驗研究了太陽能光伏熱氣流發電站采用在普通太陽能熱氣流電站的集熱棚上覆蓋光伏電池的方法。計算分析結果表明，在集熱棚上覆蓋光伏電池雖然會稍微降低系統的輸出功率，但通過這種方法表現出小尺寸的太陽能光伏電站的潛力，可以有效解決目前太陽能熱氣流電站需要超大尺寸與超高煙囪的經濟效率問題。

太陽能；熱氣流發電系統；光伏發電系統；性能測試

目前將太陽能轉換為電能主要有兩種方法：光電法和光熱法。太陽能光伏熱氣流系統能夠將太陽能光伏電池與太陽能熱氣流電站結合起來。太陽能熱氣流電站從設計原理角度上來說，是為了提升其自身的光熱轉換效率，因此需要大面積的集熱棚與高大的煙囪。但從施工難度與經濟角度上來說，往往無法建設如此大規模的太陽能熱氣流發電站。我們從熱力學與傳熱學角度出發，基于蘭州的太陽輻射度，平均日照時數，在一定前提的背景下建立了太陽能光伏熱氣流復合系統的數學模型，并通過計算機編程進行計算。通過計算機程序的模擬運算得到不同光伏電池面積比下的系統性能與各項參數，并最終得出了相關結論。

1 光伏電池面積比對實際發電功率的影響

我們經過實驗觀測后，通過整理分析得到復合系統發電功率曲線圖1。從圖1中可以看出當不管是光伏發電還是熱氣流發電，其發電量都和該部分所占面積正相關。而隨著光伏電池占總面積百分比的不斷增加，總發電量先是呈下降趨勢隨后又升高，存在一個發電效率最低的點。

太陽能光伏熱氣流復合發電系統中集熱棚的面積和光伏電池的面積是影響系統性能的重要因素。研究結果中太陽能熱氣流發電量與集熱棚面積幾乎成線性關系，而光伏電池的發電量和光伏電池面積，在光伏電池所占的面積比例超過67%后不再是單純的線性關系，這也是為何總發電量在光伏電池所占百分比增加后又進一步增加。

圖1 復合系統發電功率曲線圖

2 光伏電池面積對理論發電效率的影響

從圖2中可以看出在光伏電池面積不斷增加的情況下，發電效率反而降低。這是因為光伏電池在當前的技術水平下，轉換效率仍然較低。

程序中關于發電效率的計算，是假定太陽能集熱棚所能接受的輻射量一定，實際發電量降低率比理論發電效率降低率更小，這主要是因為相同面積情況下太陽能光伏電池比太陽能集熱棚所能接受的輻射量大得多。

圖2 光伏電池面積比與理論發電效率曲線圖

3 光伏電池面積比對有效壓差的影響

圖3給出了光伏電池所占面積比例不斷增加時有效壓差不斷下降，有效壓差下降的主要原因是因為隨著光伏電池所占面積比例不斷增加，有效集熱棚面積越來越小，這也是太陽能熱氣流發電部分發電功率不斷下降的原因。

圖3 光伏電池面積比與有效壓差關系曲線

4 光伏電池面積比對出口密度，出口速度，出口流量的影響

圖4 光伏電池面積比與出口密度關系曲線圖

圖5 光伏電池面積比與出口速度關系曲線圖

圖6 光伏電池面積比與出口流量關系曲線圖

從圖4、5、6中可以看出當集熱棚面積隨著光伏電池面積比增加而減少時，出口密度幾乎沒有變化，而出口速度大幅度下降。由出口密度和出口速度共同決定了出口質量流量減少。出口質量流量減少導致的透平轉速降低是熱氣流電站發電功率下降的直接原因。

5 光伏電池面積比對出口溫差的影響

從圖7中可以看出當光伏電池面積比例上升時出口溫差出現了下降，出口溫差下降幅度巨大，只有純太陽能熱氣流電站時出口溫差的28%。

圖7光伏電池面積比與進出口溫差關系曲線

6 光伏電池面積比對集熱棚效率的影響

由圖8中可以看出隨著有效集熱棚面積的降低，其效率在極其緩慢的增加，幾乎可以忽略不計。在集熱棚面積減少了84.2%的情況下，其效率只上升了4.3%。因此太陽能熱氣流發電功率在集熱棚面積減少時呈下降趨勢。

圖8 光伏電池面積比與集熱棚效率關系曲線圖

7 結論

集熱棚有效面積是影響復合系統性能的重要因素，實驗模擬證明了這一點。通過研究發現最重要的參數，即系統總發電功率，在光伏電池面積比逐漸上升時，先出現下降趨勢再出現上升趨勢，但最終發電功率仍然不能超過普通的太陽能熱氣流電站。光伏部分發電功率在光伏電池面積超過67.36%后不再呈現線性關系，是復合系統總發電功率發生反彈的重要原因。而太陽能熱氣流電站部分的各項參數中，集熱棚有效面積對出口密度和集熱棚自身效率的影響很小，對出口速度的影響很大。出口速度隨著集熱棚面積的減少而大幅度減少是出口流量減小和煙囪內透平功率下降的重要因素。

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表5 小區測產方差分析表Tab.5Analysis of Variance in Plot Predicated Yield

4 結論

A.與基質對照、清水對照以及常規施肥的空白對照相比，秸稈腐熟劑的使用明顯加速玉米秸稈的腐化，腐解速度快、效果好，長期使用對提升土壤有機質含量有重要作用。

B.使用秸稈腐熟劑對當季作物大豆的生長有促進作用，與常規施肥的空白對照，與清水對照相比，增產率為6.33%和7.00%；與產品滅活后的基質對照相比，增產率5.00%。

參考文獻：

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TK513

A

1674-8646（2016）01-0016-02

2015-10-09

黃亮一（1993-），男，江西贛州人，工學學士，主要從事太陽能熱工程、光伏發電研究。

曹飛（1987-），男，江蘇泰州人，工學博士，副教授，主要從事太陽能熱工程和太陽能光催化工程研究。