黃亮一，曹飛

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

太陽能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)發(fā)電性能的實(shí)驗(yàn)研究

黃亮一，曹飛

（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

實(shí)驗(yàn)研究了太陽能光伏熱氣流發(fā)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(jì)算分析結(jié)果表明，在集熱棚上覆蓋光伏電池雖然會(huì)稍微降低系統(tǒng)的輸出功率，但通過這種方法表現(xiàn)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(jīng)濟(jì)效率問題。

太陽能；熱氣流發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)；性能測試

目前將太陽能轉(zhuǎn)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(tǒng)能夠?qū)⑻柲芄夥姵嘏c太陽能熱氣流電站結(jié)合起來。太陽能熱氣流電站從設(shè)計(jì)原理角度上來說，是為了提升其自身的光熱轉(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)角度上來說，往往無法建設(shè)如此大規(guī)模的太陽能熱氣流發(fā)電站。我們從熱力學(xué)與傳熱學(xué)角度出發(fā)，基于蘭州的太陽輻射度，平均日照時(shí)數(shù)，在一定前提的背景下建立了太陽能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算機(jī)程序的模擬運(yùn)算得到不同光伏電池面積比下的系統(tǒng)性能與各項(xiàng)參數(shù)，并最終得出了相關(guān)結(jié)論。

1 光伏電池面積比對實(shí)際發(fā)電功率的影響

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

太陽能光伏熱氣流復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中集熱棚的面積和光伏電池的面積是影響系統(tǒng)性能的重要因素。研究結(jié)果中太陽能熱氣流發(fā)電量與集熱棚面積幾乎成線性關(guān)系，而光伏電池的發(fā)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(guān)系，這也是為何總發(fā)電量在光伏電池所占百分比增加后又進(jìn)一步增加。

圖1 復(fù)合系統(tǒng)發(fā)電功率曲線圖

2 光伏電池面積對理論發(fā)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(fā)電效率反而降低。這是因?yàn)楣夥姵卦诋?dāng)前的技術(shù)水平下，轉(zhuǎn)換效率仍然較低。

程序中關(guān)于發(fā)電效率的計(jì)算，是假定太陽能集熱棚所能接受的輻射量一定，實(shí)際發(fā)電量降低率比理論發(fā)電效率降低率更小，這主要是因?yàn)橄嗤娣e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(fā)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(shí)有效壓差不斷下降，有效壓差下降的主要原因是因?yàn)殡S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(fā)電部分發(fā)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(guān)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(guān)系曲線圖

圖5 光伏電池面積比與出口速度關(guān)系曲線圖

圖6 光伏電池面積比與出口流量關(guān)系曲線圖

從圖4、5、6中可以看出當(dāng)集熱棚面積隨著光伏電池面積比增加而減少時(shí)，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(zhì)量流量減少。出口質(zhì)量流量減少導(dǎo)致的透平轉(zhuǎn)速降低是熱氣流電站發(fā)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(dāng)光伏電池面積比例上升時(shí)出口溫差出現(xiàn)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(shí)出口溫差的28%。

圖7光伏電池面積比與進(jìn)出口溫差關(guān)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(jì)。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(fā)電功率在集熱棚面積減少時(shí)呈下降趨勢。

圖8 光伏電池面積比與集熱棚效率關(guān)系曲線圖

7 結(jié)論

集熱棚有效面積是影響復(fù)合系統(tǒng)性能的重要因素，實(shí)驗(yàn)?zāi)M證明了這一點(diǎn)。通過研究發(fā)現(xiàn)最重要的參數(shù)，即系統(tǒng)總發(fā)電功率，在光伏電池面積比逐漸上升時(shí)，先出現(xiàn)下降趨勢再出現(xiàn)上升趨勢，但最終發(fā)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(fā)電功率在光伏電池面積超過67.36%后不再呈現(xiàn)線性關(guān)系，是復(fù)合系統(tǒng)總發(fā)電功率發(fā)生反彈的重要原因。而太陽能熱氣流電站部分的各項(xiàng)參數(shù)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(nèi)透平功率下降的重要因素。

［1］周新平，楊家寬，肖波.太陽能煙囪發(fā)電試驗(yàn)裝置內(nèi)流場的CFD模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2006，（3）：23-26.

［2］張楚華.大型太陽能煙囪發(fā)電站熱力分析與計(jì)算［J］.可再生能源，2007，（7）：3-4.

［3］徐濤，劉曉紅.對煙囪式和塔式太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)的分析［J］.廣州航海高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，（2）:24-27.

表5 小區(qū)測產(chǎn)方差分析表Tab.5Analysis of Variance in Plot Predicated Yield

4 結(jié)論

A.與基質(zhì)對照、清水對照以及常規(guī)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(jī)質(zhì)含量有重要作用。

B.使用秸稈腐熟劑對當(dāng)季作物大豆的生長有促進(jìn)作用，與常規(guī)施肥的空白對照，與清水對照相比，增產(chǎn)率為6.33%和7.00%；與產(chǎn)品滅活后的基質(zhì)對照相比，增產(chǎn)率5.00%。

參考文獻(xiàn)：

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A

1674-8646（2016）01-0016-02

2015-10-09

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

曹飛（1987-），男，江蘇泰州人，工學(xué)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。