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光谱分频聚光光伏在定冷却热流下的波谱优化研究

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光谱分频聚光光伏在定冷却热流下的波谱优化研究

作者：候诗琪东华大学

学位级别：硕士

聚光光伏系统(CPV)可以更高效、低成本的利用太阳能,但是当前CPV系统的发电效率和输出功率仍受冷却条件限制。光谱分频技术是一种提高CPV系统发电效率和输出功率的有效技术,并且能够实现全光谱太阳能的利用,由于分频波谱段直接决定了系... 详细信息

聚光光伏系统(CPV)可以更高效、低成本的利用太阳能,但是当前CPV系统的发电效率和输出功率仍受冷却条件限制。光谱分频技术是一种提高CPV系统发电效率和输出功率的有效技术,并且能够实现全光谱太阳能的利用,由于分频波谱段直接决定了系统输出的综合总功率(热能和电能之和),因此分频波谱范围的划分十分重要。为实现光伏电池在定冷却热流条件下最大综合总功率的输出,本文主要研究了光谱分频CPV系统在定冷却热流下最佳分频波谱段的优化,主要研究内容如下:(1)基于光伏电池的外量子效率,建立了光谱分频CPV系统在AM1.5标准直射辐射下输出能量的理论模型,利用该模型绘制了不同太阳光谱下光伏电池的发电效率和发电功率变化图,发现光伏电池不是在同一波谱段同时具有最大发电功率和最大发电效率,单晶硅光伏电池在525 nm-895 nm波谱段发电功率较大,大于250 W/(mnm);在768 nm-1100 nm波谱段的发电效率较大,达到30%,不同太阳光谱下的发电功率和发电效率随电池温度升高的变化程度不同,因此还需要考虑CPV系统的具体的冷却条件对这两个参数的影响;(2)为了研究CPV系统在不同太阳波谱段下的冷却热流对系统的发电功率和发电效率的影响,设计并搭建光谱分频CPV实验系统,研究了CPV系统在400nm-700 nm和740 nm-940 nm两段波谱下的输出特性。实验研究发现光谱分频后电池的发电效率得到显著提升,740 nm-940 nm波谱下,单晶硅电池的最大发电效率达到23%,相比全光谱下的发电效率提高了9%;两段波谱下光伏电池的发电功率相差不大,但是在400 nm-700 nm波谱段的冷却负荷更大,近似是740 nm-940 nm波谱段的两倍。因此,在相同冷却条件下,通过光谱分频技术,并选择合适的分频波谱段可以实现CPV系统输出更大的发电功率;(3)为了研究在定冷却条件下CPV系统最佳分频波谱段的划分,依据不同太阳光谱下单晶硅电池的发电效率和发电功率变化图划分了七段分频波谱,理论研究了在超薄均热板耦合散热翅片冷却的定冷却条件下,光谱分频CPV系统在七段AM1.5太阳波谱段的输出参数。研究发现:控制光伏电池的温度在338 K左右,CPV系统在这七段波谱段下的冷却热流一样,在39500 W/m左右,但是系统在不同聚光比和波谱段的输出的综合总功率差别较大,随着聚光比的增加,实现光谱分频CPV系统输出的综合总功率最大的波谱段在不断变化,因此可以根据冷却系统的冷却热流和电池温度确定光谱分频CPV系统的聚光比以及最佳分频波谱段;(4)为了优化定冷却热流下光谱分频CPV系统的聚光比以及最佳分频波谱段,参考粒子群优化算法的优化原理,建立了基于定冷却热流的最佳光谱分频波段的优化模型,此优化模型是在定冷却热流和发电功率的约束下,优化光谱分频CPV系统的聚光比和波谱范围实现CPV系统输出最大的综合总功率;利用此优化模型优化了光伏电池温度为338 K,冷却热流为39500 W/m的光谱分频CPV系统的分频波谱段,优化结果为:具有单晶硅、多晶硅和砷化镓光伏电池的光谱分频CPV系统的最佳分频的AM1.5太阳波谱段分别是750 nm-1150nm、750 nm-1150 nm和600 nm-800 nm波谱,对应的系统的聚光比分别为303、282和582。在对定冷却热流下的CPV系统进行太阳波谱划分时,系统的最佳分频波谱段应尽量选择光谱分频后发电效率较高且太阳辐照占比较少的波谱段。综上所述,本文主要研究了光谱分频CPV系统最佳分频波谱段的优化,参考粒子群优化算法建立了CPV系统在冷却热流下的最佳光谱分频波段的优化模型,划分了CPV系统最佳分频的波谱段,并确定了此时系统的聚光比,实现了光谱分频CPV系统太阳波谱-综合总功率-冷却热流的最佳匹配。

关键词：光谱分频 CPV系统定冷却热流综合总功率波谱优化

基于太阳能全光谱利用的固体氧化物电解池系统性能分析

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工程热物理学报 2024年第5期45卷 1264-1274页

作者：姚文岐王江江邓宇崔志恒高月芬张旭涛华北电力大学动力工程系保定071000 华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室保定071000

太阳能与燃料电池技术相结合产生的合成气燃料是未来实现碳中和的绿色能源解决方案之一。本文提出了一个基于太阳能全光谱利用的固体氧化物电解池燃料制备系统,太阳光短波为共电解提供所需电力,长波为系统提供所需热量。建立了各部件的... 详细信息

太阳能与燃料电池技术相结合产生的合成气燃料是未来实现碳中和的绿色能源解决方案之一。本文提出了一个基于太阳能全光谱利用的固体氧化物电解池燃料制备系统,太阳光短波为共电解提供所需电力,长波为系统提供所需热量。建立了各部件的热力学模型,并对系统进行了热力学、经济及环境分析。本文从三个运行模式对系统的性能进行了分析,考虑独立的固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell,SOEC)系统,耦合回热的SOEC子系统以及太阳能耦合带回热的SOEC系统,在设计工况下三种模式的能效率和效率分别为63.1%和62.5%,67.3%和65.8%以及15.0%和15.6%。系统的总成本率及CO_(2)排放率分别为9.79USD/h和0.04kg/kWh,且比成本为0.086USD/kWh。另外,探讨了SOEC操作参数对系统性能的影响,当电流密度、操作温度、压力和水蒸气的摩尔分数分别为0.64A/cm^(2)、1323.15K、0.1MPa和20%时系统的能效和效达到最大值。

关键词：太阳能燃料光谱分频固体氧化物电解池系统模拟热力学分析

基于Al纳米颗粒的纳米流体光谱分频性能调控研究

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基于Al纳米颗粒的纳米流体光谱分频性能调控研究

作者：钮文泽华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

光谱分频光伏光热系统不但能够从根本上克服光伏组件温度上升导致发电效率下降的难题,同时能够收集高品质的热能,进而大幅地提升太阳能的利用效率。当采用纳米流体分频时,还可以调整纳米流体的光学性能来调节电、热输出,理想的分频纳米... 详细信息

光谱分频光伏光热系统不但能够从根本上克服光伏组件温度上升导致发电效率下降的难题,同时能够收集高品质的热能,进而大幅地提升太阳能的利用效率。当采用纳米流体分频时,还可以调整纳米流体的光学性能来调节电、热输出,理想的分频纳米流体能够帮助系统有效地利用全波段的太阳光,但是至今仍未找到与光伏电池的光谱响应实现完美匹配的纳米流体,现有的纳米流体在200 nm-640 nm波段仍具有较高的光谱透射率,所以选择合适的分频液体,增强液体在短波段的吸收能力,实现对纳米流体光学性能的调控是本研究的重点,本文基于时域有限差分法,基于Al纳米颗粒的纳米流体光谱分频性能进行调控研究。论文采用时域有限差分法模拟分析了不同粒径下Al纳米颗粒的局域表面等离激元共振特性,建立了纳米流体光谱透射率模型,计算分析了体积分数和光程对纳米流体光学性能的影响。研究发现改变粒径能够实现对纳米颗粒消光性能的调控,包括消光强度和共振峰范围。为保证纳米流体在200nm-640nm的消光性能,应选取最大的体积分数0.6%,而光程过大会造成基液对PV窗口的吸收增加。为进一步优化Al的消光性能,并解决其易氧化问题,设计了不同壳层厚度的Al-Ag核壳结构的纳米颗粒,并分析了其消光性能以及对应纳米流体的光谱特性,结果表明核壳结构的纳米颗粒的消光能力得到增强,可以进一步提高纳米流体在光热波段(200nm-640nm)的吸收能力,降低其光谱透射率。论文同时采用时域有限差分法模拟分析了同体积下球形、圆柱形和正六面体三种形状纳米颗粒的消光特性,发现颗粒的消光能力会随着形状变得尖锐而提高,正六面体纳米颗粒下的纳米流体表现出理想分频液体的性能,所以在制备纳米流体作为分频液体时应设计具有尖端形状并且易于在实验研究中制备的纳米颗粒,以增强纳米流体的消光性能。

关键词：光谱分频时域有限差分法纳米流体局域表面等离激元共振光谱透射率消光性能

基于光谱分频的太阳能光纤照明和光伏发电系统研究

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基于光谱分频的太阳能光纤照明和光伏发电系统研究

作者：夏龙禹华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

近年来,随着人口增长和人民生活水平的提高,全球建筑面积和照明需求持续增长,其中照明约占全球电力消耗的19%。太阳能是一种绿色可再生能源,利用阳光照明可以降低电力照明能耗和提高照明舒适度。然而现代建筑趋向高层化和密集化,传统的... 详细信息

近年来,随着人口增长和人民生活水平的提高,全球建筑面积和照明需求持续增长,其中照明约占全球电力消耗的19%。太阳能是一种绿色可再生能源,利用阳光照明可以降低电力照明能耗和提高照明舒适度。然而现代建筑趋向高层化和密集化,传统的采光方式已经不能满足照明需求,即便白天也需要电力照明。于是近年来室内主动引入阳光照明的研究越来越多,然而现有的照明系统仅利用了太阳光谱中的可见光,造成了大量能量浪费。因此本文设计了一种太阳能光纤照明和光伏发电系统,通过分频器将阳光分成不同波段,可见光波段用于照明,其余波段用于光伏发电,在解决光纤过热的同时提高太阳能利用率。论文详细阐述了基于光谱分频的太阳能光纤照明和光伏发电系统的工作原理及各子系统设计方案,根据需求对分频器的分频波段进行了设计。结果表明分频器在400-700nm波段实际平均透射率达92.2%,相对全光谱而言透射率仅为54.6%,因此在不影响照明的同时反射掉近一半无用能量,对防止光纤过热具有重要意义。为了提高光纤端面及光伏电池的光斑均匀性,设计了均质器。为了解决照明随外界环境变化的问题,同时设计了带有LED补光灯的混合照明装置。论文在系统设计的基础上,采用蒙特卡罗光线追踪法进行了光学仿真研究。分析了分频器位置、PV均质器长度、及光纤均质器尺寸对光学性能的影响,并找到了最优方案。另外分析了阳光追踪精度对系统的影响,结果表明系统能在0.2°误差内保持较高光学效率及稳定性。同时还考察了不同光纤直径在不同追踪误差下的相对可利用率,结果表明直径3mm的光纤相对可利用率最高。论文同时搭建了光纤照明和光伏发电系统实验平台,并进行了一系列测试和分析。实验结果表明通过光纤传输到室内的阳光明亮舒适,平均传输效率可达15.1%,同时系统平均发电效率约6.1%,在不影响照明的同时系统光伏电池的发电效率达到了常规电池的三分之一。以荧光灯折算后系统整体平均效率达29.5%;以LED灯折算系统整体平均效率达25.4%,其效率均高于常规光伏发电。以北京地区为例,本系统每平方米采光面积,可以为19.7m2的房间每天提供8小时达500lx的阳光照明,同时每天产生的电能可供给LED灯从而延长2.5小时照明时间,利用该系统为建筑提供照明每年可以节省378kWh/m2电能。

关键词：太阳能光谱分频光纤照明光伏发电

基于光谱分频的太阳能光伏-甲烷重整互补发电系统

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工程热物理学报 2019年第3期40卷 497-504页

作者：魏鑫李文甲裴刚郝勇中国科学技术大学热科学和能源工程系合肥230027 中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

本文提出了基于光谱分频的太阳能光伏-甲烷重整互补发电系统。太阳光经聚光装置汇聚至光谱分频器表面,并被按波长不同分为两部分,其中短波部分经光伏电池利用发电,长波部分经甲烷湿重整反应器吸收并转换为合成气中的化学能,后经燃气蒸... 详细信息

本文提出了基于光谱分频的太阳能光伏-甲烷重整互补发电系统。太阳光经聚光装置汇聚至光谱分频器表面,并被按波长不同分为两部分,其中短波部分经光伏电池利用发电,长波部分经甲烷湿重整反应器吸收并转换为合成气中的化学能,后经燃气蒸汽联合循环发电。热力学分析表明,在重整温度为800℃时,互补发电系统的太阳能净发电效率最高达到37.1%(已考虑光学损失),高于相应的太阳能光伏发电系统(28.0%)与太阳能甲烷重整发电系统(850℃,26.5%);通过太阳光谱分频以及光伏-热化学互补耦合,实现太阳能品位对口、梯级利用;互补发电系统中部分能量可通过合成气形式储存,解决光伏部分难以储能的问题,提高系统供能的稳定性和持续性,并显著降低对化石能源的依赖度。本文基于光谱分频技术提出的太阳能光伏与甲烷重整互补发电系统,达到了太阳能全光谱综合利用的目的,为太阳能的高效利用提供了新的思路。

关键词：太阳能光谱分频光伏电池甲烷重整效率

液体分频介质的制备及其对光伏/热系统的影响分析

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东北电力大学学报 2024年第2期44卷 21-26,41页

作者：刘炜郑睿陈文刚王万潮王刚林建清山东电力工程咨询院有限公司山东济南250100 东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林132012

光谱分频光伏/热(PV/T)复合利用技术打破了PV电池低工作温度与其高品位热需求的冲突,实现了高效的光电效率和热效率。为了制备合适的选择性分频介质实现PV/T器件内能量合理分配,以去离子水为基液,利用贵金属Ag纳米颗粒与无机CoSO_(4)组... 详细信息

光谱分频光伏/热(PV/T)复合利用技术打破了PV电池低工作温度与其高品位热需求的冲突,实现了高效的光电效率和热效率。为了制备合适的选择性分频介质实现PV/T器件内能量合理分配,以去离子水为基液,利用贵金属Ag纳米颗粒与无机CoSO_(4)组合实现分频液体光学特性的高效调控。此外,基于能量平衡法建立了典型PV/T原型系统的电、热输出模型,分析了分频介质光学调控前后对系统热电输出特性。结果表明,水基分频液具有高效红外吸收特性,加入Ag纳米颗粒后,分频介质在可见光波段出现了明显的吸收峰,峰值为435 nm。进一步加入CoSO_(4)后,可以拓展纳米流体吸收峰宽度,且在红外也具有一定的吸收强化。对比光学调控前后分频介质对PV/T系统热电性能影响可以看出,分频介质总的吸收特性增加,PV/T系统的热效率呈现增加的趋势,但其电效率有所下降。基于液体分频PV/T系统的总[火用]效率亦随之增加,且超过28%。分频介质光学特性高效调控可实现PV/T系统的内能量的可控分配。

关键词：光伏/热光谱分频光学调控能量平衡法

基于太阳光谱分频利用的纳米流体特性及实验研究

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基于太阳光谱分频利用的纳米流体特性及实验研究

作者：韩晓飞内蒙古工业大学

学位级别：硕士

随着社会及科技的发展,能源需求量逐年上升,传统化石能源的大量消耗也使得环境问题日益突出。太阳能作为一种清洁无污染的可持续替代能源具有光明的应用前景。近年来,随着纳米工业的发展,纳米流体因其优异的传热性能及不同于宏观材料的... 详细信息

随着社会及科技的发展,能源需求量逐年上升,传统化石能源的大量消耗也使得环境问题日益突出。太阳能作为一种清洁无污染的可持续替代能源具有光明的应用前景。近年来,随着纳米工业的发展,纳米流体因其优异的传热性能及不同于宏观材料的光学特性引起了广泛的关注研究,如何利用纳米材料提高太阳能利用率成为目前研究的热点。本文提出了基于太阳光谱选择性吸收的水基Zn O纳米流体光谱分频PV/T系统,通过理论及实验分析了水基Zn O纳米流体的光学特性及热物性,搭建了光谱分频PV/T系统实验平台,对采用Zn O纳米流体为光谱分频介质的PV/T系统性能进行评价研究。首先利用两步法制备了不同质量分数浓度的水基Zn O纳米流体。通过Zeta电位及静置沉降法研究了分散剂种类及质量分数对水基Zn O纳米流体稳定性的影响,确定了适于Zn O纳米颗粒特性的分散剂及质量分数比。利用热常数分析仪对水基Zn O纳米流体的导热系数进行了实验测定,对比分析了Zn O纳米颗粒质量分数及温度对纳米流体导热系数的影响。通过瑞利散射近似理论分析了影响水基Zn O纳米流体光学特性的因素。利用紫外可见光近红外分光光度计研究了Zn O纳米颗粒质量分数浓度及分散剂质量分数对所得纳米流体光谱透射率的影响。最后,利用PV/T系统实验平台探究了水基Zn O纳米流体质量分数浓度及入口端流量对光谱分频PV/T系统的性能影响。通过与空气,水的对比实验,探究了水基Zn O纳米流体在光谱分频PV/T系统中的应用可行性。

关键词：选择性吸收光谱分频光伏光热（PV/T）纳米流体氧化锌（ZnO）纳米颗粒

基于Ag/CoSO4纳米流体光谱分频的光伏光热系统的性能研究

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基于Ag/CoSO4纳米流体光谱分频的光伏光热系统的性能研究

作者：陈晓彬江苏大学

学位级别：硕士

能源是人类赖以生存和社会发展的物质基础,太阳能作为可再生能源在解决能源危机和环境污染等问题方面具有重大潜力。近几年,太阳能光伏光热(PV/T)利用技术由于能同时获得电能和热能而备受关注。其中将纳米流体分频技术应用于PV/T系统,... 详细信息

能源是人类赖以生存和社会发展的物质基础,太阳能作为可再生能源在解决能源危机和环境污染等问题方面具有重大潜力。近几年,太阳能光伏光热(PV/T)利用技术由于能同时获得电能和热能而备受关注。其中将纳米流体分频技术应用于PV/T系统,从本质上解决了光伏组件温度升高的问题,同时也获得比传统PV/T系统更高品位的热能,实现了全光谱高效利用和太阳能综合利用效率的提升。但目前为止,传统的纳米流体仍无法实现与太阳能电池光谱响应相匹配的理想分频,PV/T系统的综合效率也有待进一步提升。因此本文提出了水基和丙二醇基Ag/CoSO纳米流体作为采用聚光硅太阳能电池的PV/T系统的新型光谱分频液,通过理论和实验分析了Ag/CoSO纳米流体的分频性能,并对采用该纳米流体分频的PV/T系统的综合性能进行评价。(1)首先制备了不同浓度且均匀分散的水基和丙二醇基Ag/CoSO纳米流体,利用分光光度计采用双光程测试方法获得各纳米流体相对真实的光谱透过率,并考察了各纳米流体的长期稳定性。结果表明,不同基液Ag/CoSO纳米流体对380-555 nm波长的辐射均有较强吸收,但对675-940 nm波长的均保持较高透过率,接近聚光硅电池的理想光谱分频曲线。并且丙二醇基Ag/CoSO纳米流体具有优异的长期稳定性。(2)搭建了光伏光热转换性能实验平台,开展了Ag/CoSO纳米流体分频对PV/T接收器性能影响的实验研究。结果显示,在银纳米颗粒最高浓度为84.7 mg/L的丙二醇基Ag/CoSO纳米流体分频下PV/T接收器具有最佳的性能,其总效率可达84%,MF值为1.97,近似为仅光伏单元的两倍。(3)分别建立了Ag/CoSO纳米流体的光谱透过率模型和光电光热性能模型,探究了不同银纳米颗粒浓度、光程、聚光比和热电转换比等参数对分频型PV/T接收器性能的影响。结果表明,PV/T接收器的总效率随流体中银纳米颗粒浓度和分频液光程的增加而增加;但随着聚光比增加,接收器的总效率先上升后下降,在聚光比为3时具有最大总效率;而对于丙二醇基Ag/CoSO纳米流体分频,热电转换比w=3是PV/T接收器热电比例分配的转折点。(4)分别建立了分频型热管式CPV/T系统的物理模型和辐射传递模型,利用MATLAB软件模拟计算不同环境温度、风速、储水箱水量、集热器水量、聚光比以及分频液质量流量对该CPV/T系统全天性能的影响。结果表明,环境温度对储水箱最高水温和系统平均电效率影响较大,而风速对系统平均热效率有显著影响;增加储水箱水量和集热器水量均有助于提升系统的性能,但同时所获得热能的品位也越低;并且增加聚光比能明显提高储热水温,但同时也会使系统性能显著下降。

关键词：光伏光热(PV/T) 光谱分频光谱透过率纳米流体银纳米颗粒硫酸钴热管

基于GaAs电池与纳米流体分频的全光谱发电系统性能分析

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东北电力大学学报 2021年第2期41卷 20-27页

作者：宗顺禹吴俊方鑫安巍同济大学机械与能源工程学院上海201804

文中提出一种基于GaAs电池与纳米流体分频的全光谱发电系统,这一系统利用基于纳米流体的光谱分频技术将光伏与光热两种常见的发电系统整合为一,能够充分利用全谱段的太阳能.通过对系统进行数学建模,研究了关键参数对系统发电效率的影响... 详细信息

文中提出一种基于GaAs电池与纳米流体分频的全光谱发电系统,这一系统利用基于纳米流体的光谱分频技术将光伏与光热两种常见的发电系统整合为一,能够充分利用全谱段的太阳能.通过对系统进行数学建模,研究了关键参数对系统发电效率的影响,分析了该发电系统相较于单一光伏发电或光热发电所具有的优势.结果表明,全光谱发电系统相较于单一光伏或光热发电系统优势明显.当系统性能参数取得最优时,全光谱发电系统相比同条件下的单一光伏发电系统发电效率最高可提升4.8%,相比同条件下的单一光热发电系统发电效率最高可提升1.9%,其中回收电池废热的措施可使系统的发电效率提升2.3%.

关键词： GaAs电池纳米流体光谱分频发电系统废热利用