太阳能换热系统的机理建模及研究-论文.pdf

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1、第30卷第8期电力科学与工程Vo1．30．No．8572014年8月ElectricPowerScienceandEigineeringAug．，2014太阳能换热系统的机理建模及研究曹丁元，金秀章，孙小林，谢泽坤(华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定071003)摘要：研究复合抛物面聚光器(CPC)型太阳能光伏／光热联合利用(PV／T)系统中太阳能换热系统的机理建模问题，针对电池板的初始温度、光照强度以及下层流道流体流量对电池板温度的影响，分别采用分布参数法和集总参数法，根据能量守恒定律对换热系统进行机理建模，最

2、终得到系统的传递函数。利用Mad~b对所得函数进行仿真，得到系统的特性曲线，验证了所建模型的可行性和合理性。关键词：太阳能换热系统；机理建模；分布参数；集总参数中图分类号：TKS12文献标识码：AD0I：10．3969／j．issn．1672—0792．2014．08．010部分构成：太阳能光电系统以及太阳能换热系统。0引言太阳能光电系统是PV电池板接收到来自聚光器的光照而产生电能的系统；太阳能换热系统是下近些年环境污染、资源短缺一直是人们讨论层流道中的流体吸收PV电池板的废热，从而使的热门话题，具有无污染、可再生、经济

3、、清洁电池板温度处在最佳工作点，同时产生可利用的等优点的太阳能成为专家学者的研究对象。西安热能的系统。本文主要对太阳能换热系统的模型交通大学的魏进家教授提出了复合抛物面聚光器进行分析。(CPC)型太阳能光伏／光热联合利用(Pv／T)系统⋯。采用CPC聚光器的光电和光热相结合的PV／T系统，当聚光比确定后，影响系统性能的主要参数是太阳电池的工作温度。因此，确定太阳电池的工作温度对于系统设计具有指导意义。目前为止，国内外很多学者对CPC—PV／T系统的性能分析进行上层流体了不少研究，但是涉及CPC．PV／T综合系统中下层流体

4、太阳电池温度的建模报道尚少。本文将对系统中太阳电池工作温度的机理模型建立进行讨论。机理建图1CPC．-PV／T系统简图模是在充分了解了受控对象、执行机构及系统内电池板的温度主要受太阳辐射和下层流体流一切元件的运动规律，将这些运动规律用数学模型量的影响。太阳辐射照射到光伏电池上，会使电表示出来的过程。机理建模一直以来广泛应用于各池板的温度升高，从而影响到系统的光电效率。个领域，具有理论依据严密，在任何状态下使为了降低电池板的温度，使其处在最佳的工作温用都不会引起定性错误的优点。度下，本课题采用了平板PV／T集热器，当下层1

5、数学模型分析流体流过电池板，带走电池板的废热，即降低了电池板的温度，又提高了流体的温度，实现了热CPC—PV／T系统简图如图1所示，它主要由两量的充分利用。收稿日期：2014—04—01。作者简介：曹丁元(1989一)，女，硕士研究生，研究方向为太阳能光伏光热综合利用测控系统的研制开发，E-mail：eaodin’gyuan1989@163．corn。58电力科学与工程2014焦对于下层流体与电池板的热交换部分，建模热系数；L为电池板长度；D为下层流体的质量方法分为集总参数建模法¨“和分布参数建模流量。上式整理后得法¨。

6、在流体与电池板导热过程中，流体与电at10tlA+Dc=(。一)(1)p池板的状态参数不仅是时间而且还是空间的函数，具有明显的分布参数特点。这种分布参数的动态对于电池板，其能量平衡方程为：模型都是非线性偏微分方程组，这些偏微分方程警cc鲁=譬一cto一组含有长度和时间两个自变量。这样一个分布参式中：m，c。分别为电池板的质量和比热容。数系统的非线性模型是十分复杂的，计算也有一电池板吸收的太阳辐射的热量：定难度。为了简化问题，在建立数学模型时，将O=卵5叼KGA。(2)下层流道内的介质状态参数看成是均匀一致的，式中：田为光

7、伏电池光热转换效率；S为玻璃盖并在空间位置上选定一个有代表性的点，利用这板对太阳光的透射率；田为分频玻璃的分频效一点介质的参数作为环节的集总参数。在这种简率；k为聚光比；A为电池板的面积；G为太阳化假定下建立的模型就是集总参数模型。辐射强度，可测量。为了便于分析，需要对换热管道作几个合理将(2)式代人上式，整理后得的简化假设：(1)电池板无轴向导热；=。ST。KGA一hA(￡一)(3)(2)下层流道内液相介质为不可压缩流体；电池板的温度变化的原因可以来自于下层流(3)忽略流体的轴向传热；道流体的流量(流体的初始温度为恒定

8、值)或者(4)电池板与下层流道的换热系数为常数；光照强度。在不同的扰动下，电池板温度的动态(5)同一横截面的流体的参数相同；特性是不同的。文献[13～15]等分别针对不同(6)电池板沿下层流道长度方向的放热量的扰动因素，通过拉普拉斯(Laplace)变换，求均匀。出方程组的解析解。本文对不同扰动同时发生求1．1分布参