自制冷式光伏PVT系统设计与实验研究毕业设计.docx

楚雄师范学院本科生毕业论文题目：自制冷式光伏PV/T系统设计与实验研究系（院）:物理与电子科学学院专业：学号：学生姓名：指导教师：职称：论文字数：完成日期：年一月目录摘要I关键词IAbstractKeywords1 .引言11.1. 景11.2. 温度对太阳能电池性能研究现状11.3. 提高太阳能电池发电效率与制冷循环、热泵相结合性能研究12 .实验系统与工作原理2.2.1.自制冷式光伏PV/T系统设计与原理22.2.太阳能发电系统22.3.制冷循环系统32. 4.热泵系统与保温材料43. 5.测试工具44. 实验过程及测试44.1. 实验平台搭建43 .2.实验过程54 .实验数据分析与总结74.1. 数据分析74.2.结论11参考文献12致谢13自制冷式光伏PV/T系统设计与实验研究摘要：自制冷式光伏PV/T系统是一种可以同时产生电力、热能的可再生能源设备，论文主要考察在系统实验平台下，研究温度对光伏模块输出特性的影响。随温度升高，光伏模块输出电压越低、短路电流增大。故利用智能温度控制器控制压缩机工作，设置固定工作温度，当光伏组件背板温度达到30时，压缩机开始工作，蒸发器吸收太阳能电池板的热量，在水箱中冷凝器放热加热水并加以存储利用；当光伏组件温度降到20°C时，压缩机停止工作。蒸发器吸热使太阳能电池板降温后,光伏组件光电转换效率随着温度的降低而提升,同时热量通过热泵系统进行储存利用。结果表明，自制冷式光伏PV/T系统可以有效地提升能源利用效率，并具有一定的实用价值。关键词：光伏/热系统（pv）；自冷式；储热；输出功率；温度DesignandExperimentalStudyofSelfcoolingPhotovoltaicPV/TSystemAbstract:Self-coolingphotovoltaicPV/Tsystemisakindofrenewableenergyequipmentthatcangenerateelectricityandheatenergyatthesametime.Thispapermainlyinvestigatestheinfluenceoftemperatureontheoutputcharacteristicsofphotovoltaicmodulesunderthesystemexperimentplatform.Asthetemperatureincreases,theoutputvoltageofthePVmoduledecreasesandtheshort-circuitcurrentincreases.Therefore,theintelligenttemperaturecontrollerisusedtocontroltheworkofthecompressorandsetafixedworkingtemperature.Whenthebackplanetemperatureofthephotovoltaicmodulereaches30,thecompressorstartstowork.Theevaporatorabsorbstheheatofthesolarpanel,andthecondenserreleasesheatinthewatertanktoheatthewaterandstoreit.Whenthephotovoltaicmoduletemperaturedropsto200C,thecompressorstopsworking.Whentheevaporatorabsorbsheattocoolthesolarpanel,thephotoelectricconversionefficiencyofthephotovoltaicmoduleincreaseswiththedecreaseoftemperature,andtheheatisstoredandutilizedbytheheatpumpsystem.Theresultsshowthattheself-coolingPV/Tsystemcaneffectivelyimprovetheenergyutilizationefficiency,andhasacertainpracticalvalue.Keywords：PhotovoltaicZthermaIsystem(PV/T);Self-coolingtype;Heatstorage;Outputpower;temperature自制冷式光伏PV/T系统设计与实验研究1 .引言1.l.背景能源是经济和社会发展的基础，能源问题影响着我们的生活。保障绿色能源，解决能源短缺问题，提高安全稳定供给，是当今一大能源发展任务。太阳能作为绿色环保能源,是我国迫切发展的能源,也是将来可再生能源的一大发展趋势。当前能源短缺、环境污染日益严重，太阳能逐步得到人们的青睐，但是光伏发电效率受到温度的影响，具有不稳定性，有效解决能源问题就应该充分利用太阳能资源12温度对太阳能电池性能研究现状在太阳能研究过程中，每个国家都在不同程度上支持太阳能发展。在我国，国家十分重视太阳能的发展，让更多企业能够投入到太阳能行业中，为太阳能发展带来了更好的前景。目前太阳能电池大多使用晶体硅太阳电池，主要是由单晶硅或多晶硅构成，单晶硅的转换率达16%20%,但价格昂贵；多晶硅转换率达13%16%，投资相对小，受到大多企业青睐。硅的带隙为1.12eV,性能相对较好，但由于自身的物理特性，肖丽仙等人根据太阳能电池输出特性分析温度对太阳能电池的影响，指出温度升高，太阳能电池开路电压降低，下降率约为-2.3mVK,光伏组件温度升高，理想填充因子下降率约为-4.5X10-4k,不仅如此，温度升高，短路电流增大，增加率约为1.21mAK,多晶硅实际输出转换效率减少率约-0.22%/K；孙鑫等人对光伏电池特性研究指出光伏电池短路电流随温度升高而升高,开路电压随温度升高而降低，光电转换效率随温度升高而下降；王建军在研究温度对光伏电池效率影响时提出，温度升高1,光伏电池近0.35%0.45%峰值功率损失。温度升高，太阳能电池输出特性会降低，严重的损坏破坏太阳能电池，在此方面，李志红等人提出提高太阳辐照度，降低光伏组件温度，采用冷却系统降温，保证光伏组件在低温状态下工作；何琪慧等人在研究温度对光伏组件效率影响时，总结出开路电压、短路电流和输出功率在-5摄氏度至35摄氏度与温度呈线性关系。对于提高太阳能电池发电效率，张成昱等人提出在光伏组件背板中加入肋片，采用自然循环降温，以空气或水吸热降温；张晓霞等人指出在光伏组件背板上带翅片与不带翅片的冷却方式上，带翅片的温度偏低，输出特性高；杨晶晶等人提出在降温方式中光伏、光热结合系统比一般光伏电池和太阳能热水器利用率更高涧。13提高太阳能电池发电效率与制冷循环，热泵相结合性能研究太阳能电池在工作时会产生热量，因此，温度对光伏电池输出特性、效率、使用寿命等有很大影响。因此在太阳能光伏发电系统进行设计时，需要对如何控制太阳能电池板最优发电温度，提高发电效率，设计一套最优的控温降温设备”，设计自制冷式光伏PV/T系统，由于光伏组件因为太阳辐射、热斑效应等各种因素产生热量，故在太阳能光伏发电系统中加装冷却热泵系统，依靠蒸发器吸收太阳能电池组件背板热量，并将太阳电池低温热量经压缩机压缩为高温热量转移到冷凝器中，并在水箱中冷凝器放出热量实现水加热，当太阳能背板温度降低时，水箱温度会升高U一方面能够降低太阳能电池板的运行温度，提高光伏组件光电转化效率；另一方面，通过冷凝器放热加热水箱水温并输出热水，实现热能的有效利用。2 .实验系统与工作原理2.1. 自制冷式光伏PV/T系统设计与原理实验主要由三部分组成，分别为太阳能光伏发电系统、制冷循环系统和热泵系统。太阳能电池组件将太阳辐射能转换为电能，经过蓄电池将电能存储起来，并为负载提供电能。然而当太阳辐射能照射在组件上时，一部分能量被组件发射，另一部分被吸收，其它能量则生成了热，不仅如此，由于热斑效应同样产生热量。为了使光伏组件温度降低，使发电效率提高，结合制冷循环系统降低光伏组件温度。制冷系统采用智能温度控制器控制，设定启动温度和停止温度，在太阳能背板放入温度探头，当太阳能背板温度达到启动温度或停止温度，压缩机开始工作或停止工作。压缩机由电能驱动促进循环，利用蒸发器对光伏模块热量进行吸收，制冷剂汽化，同时通过压缩机对制冷剂压缩升温，使制冷剂在相变后进入冷凝器液化放出热量加热水箱水温,最后通过毛细管节流后,制冷剂流过蒸发器汽化吸收光伏组件热量,并循环工作。其中，在系统中添加保温材料，有助于减少热量损失。图2-1自制冷式光伏PV/T系统图1.1. 能发电系统本实验太阳能发电系统装置包括太阳能光伏发电组件、控制器、蓄电池、电阻、逆变器、负载、导线。（1）太阳能光伏发电组件：吸收太阳辐射能转换为电能，是系统产生热能和输出电能的主要来源，在发电的同时充分利用光伏组件产生的热量。（尺寸：1650mm*990m11*40mm）图2-2太阳能电池板实物图（2）控制器：进行光伏组件对蓄电池的充电保护，控制对用电负载的电能输出，保护蓄电池使用寿命。（3）蓄电池：一种将光能转换成直流电并转换成化学能存储在电池中的储能设备。（采用12V80AH*2铅酸蓄电池串联使用）图2-3蓄电池实物图（4）逆变器：将蓄电池发出的直流电转换成220V交流电，为负荷供电。（规格为24V/2800V）图2-4逆变器实物图（5）电阻：串并联电阻，实现分压分流，方便测量电压、电流值。（采用两个1。的水泥电阻和4个IOKQ的电阻）（6）导线：连接系统，形成回路。太阳能光伏发电原理：通过半导体光生伏特效应，利用自由电子-空穴对的扩散作用，形成电动势，实现光能向电能的转化，这就是光伏材料特有的光电效应2.3. 制冷循环系统本实验制冷循环统主要由蒸发器、压缩机、冷凝器、毛细管、铜管、智能温度控制器构成。该系统通过压缩机输入电能对制冷剂做功，在蒸发器、压缩机、冷凝器以及毛细管内循环，通过制冷剂的相变达到降低太阳能电池板温度和冷凝器端热利用的目的。（1）蒸发器：实现热交换设备，在实验中蒸发器贴合太阳能电池板背面，将毛细管节流后的低温制冷剂蒸发，相变为蒸汽，吸收太阳能板热量，从而达到太阳能板降温目的。（2）压缩机：用电能带动压缩机，带动制冷循环运行。对制冷剂进行压缩升温，并将高温高压制冷剂气体排出促进循环。（实验采用规格为200W的压缩机）图2-5压缩机实物图(3)冷凝器：冷凝压缩机排出的制冷剂蒸汽，将制冷剂液化后产生的热量转移到水箱中，在经冷凝器冷凝后低温制冷剂液体进入毛细管到下一个制冷循环中。此设备采用水作为冷却工质，冷凝器放热后对水加热，实现热利用。(4)节流元件：将冷凝器端相变后的制冷剂液体降温降压，并输送进入蒸发器中。在该实验中选择毛细管作为节流元件。(5)制冷剂：经过相变传递热量的物质。实验中将太阳能板的热量吸收使液态制冷剂汽化，从而降低太阳能板的温度，在冷凝端通过气态到液态的相变，释放出热量使水加热。(系统采用的制冷剂为R134a)(6)铜管：接通各部件形成闭合回路，让R134a在其内部循环。(7)智能温度控制器：智能温度探头感应太阳能板温度传输到智能温度控制器上，从而驱动压缩机停止工作和开始工作，从而达到控制太阳能板温度，实现太阳能板降温效果。制冷循环原理:主要包括蒸发一压缩一冷凝一节流四个步骤循环工作。利用制冷剂在制冷系统中蒸发、压缩、冷凝、膨胀的作用，使在通电时蒸发器吸收光伏组件热量，制冷剂汽化，使其温度降低；压缩机对低温制冷剂气体压缩后，通过冷凝器的散热性冷却，热量通过管道排出实现对热能利用；液化后的制冷剂再通过毛细血管，进入蒸发器，进行循环工作,实现太阳能板降温和水加热目的。2.4. 热泵系统与保温辅助材料本实验热泵系统(采取水箱实现水加热和保温)：减少光伏组件、制冷系统和水箱的热量损失，实现水箱保温水温的性能，有效收集能量并加以利用。(水箱：规格35Omm*25Omln*150mm)光伏组件保温材料在组件背面使用发泡剂并加装聚氨酯板(规格：165Omln*99Omm),再用太阳能电池板专用密封胶封装，达到闭合保温效果。制冷系统导气管和保温水箱采用保温棉保温，有效阻止热量传递。储热利用系统与保温材料实现防止系统热量散失，并加以利用热量加热水箱中的水，且保温水箱水温。2.5. 测试工具测试工具：万用表、辐照仪、温度探头、温度变送器、USB-2000慢速数据采集器等。3.实验过程及测试3.1. 实验平台搭建在2023年4月10日至5月18日进行了实验。楚雄经度101.528069,维度25.045532,太阳辐照度在100-1200瓦/平方米之间变化,环境温度在10度-37度之间。在实验过程中，为提高光伏组件发电效率，需确定实验平台搭建方位和倾角。太阳赤纬角：B=23.45osin（360o×284+n）（3-1）365式（3T）中，n表示从一年中元旦开始至今天数，根据公式算出楚雄太阳赤纬角。太阳高度角：Sinh=sin。SinS+cos。CoSSCOSC（3-2）式（3-2）中，T为某时刻太阳角，表示楚雄地理纬度；在正午时计算出楚雄的太阳高度角hoSinhSin0-SinS.CoSbSinT太阳方位角：CoSy=或sin/=（3-3）COShCos。cosh式（3-3）中，计算出太阳方位角后，为保证太阳辐射能吸收利用，平台支架方位角朝向正南，倾角为30°-40。实验平台搭建图如下：3.2.实验过程图自冷式光伏PV/T系统图本设计为自冷式光伏PV/T系统，冷热电一体化。系统电压、电流、辐照度（1）在实验中，测试时间段在9：OO至17：00时间段。在太阳能光伏发电系统基础上加装制冷循环系统和热泵系统，在太阳能背板后加装蒸发器，吸收太阳能板热量，实现降温效果，并采用压缩机升高蒸汽温度，通过冷凝器实现制冷剂液化并放热到水箱中加热水温,同时输出热水。并且在三大系统基础上加装保温材料，减少热量损失。（2）系统中采用智能温度控制器控制压缩机开始工作和停止工作，由温度探头感应太阳能背板温度，为智能温度控制器传递温度信息，驱动压缩机工作。实验控制温度为20-30o太阳能背板温度达30时，压缩机开始工作，温度降为20时，压缩机停止工作。（3）通过太阳能辐照仪，测量楚雄每日各个时间段的太阳辐照度。图3-2太阳能辐照仪实物图（4）通过温度探头感应水箱温度、环境温度、太阳能板正面温度和背面温度并传输至温度变送器上.图3-3温度变送器实物图（5）通过温度变送器使温度值和测试辐照度值、电流、电压值传输至USB-2000慢速数据采集器中。图3-4USB-2000慢速数据采集器实物图（6）通过USB-2000慢速数据采集器采集光伏电池输出电压、电流、光伏组件正面温度、背面温度、环境温度和水箱温度数据，并在采集软件上导出并转换示值（研究光伏电池实际输出功率受温度影响特性）辐照度F-×IQOO÷10.8X1000（3-4）温度r=（C×10001000）÷10（35）(7)光伏发电系统通过蓄电池储存电量，通过逆变器将24V直流电转化为220V交流电为交流负载供电并且可以从蓄电池直接输出直流电为灯泡*2供电。图3-5交流负载与直流灯泡实物图(9)在实验中，采用R134a作为制冷剂在制冷循环系统中相变吸放热。4.实验数据分析与总结41.数据分析在实验过程中，通过采集光伏组件电流、电压、光伏组件正、背面温度、水箱温度、环境温度、辐照度来分析光伏组件光电转换效率和热利用效率。在实验中，9：00-17：00时间段，光伏组件理想工作温度在20C-30,如无如何制冷措施，光伏组件正面温度和背面温度一般大于30,最高可达到80左右。通过自制冷式光伏PV/T系统尽可能将光伏组件内部温度降低20-300Co注：在实验注，由于天气原因，测试当日辐照度较弱，故测试换水次数较少。图4-1测试日辐照度在实验过程中，通过测得所得的辐照度，研究光伏组件随辐照强度电流、电压和功率的变化规律。实验中一部分能量驱动压缩机,另一部分由光能转化为化学能储存在蓄电池当中。a）太阳能光伏发电系统输出特性变化规律108642009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00时间图4-2系统实际电流图4-3系统实际电压图4-4系统实际功率测试电流、电压，得到功率变化功率，即电功率由4-1式得出：W=UXl（4-1）由图4-1、4-2、4-3.4-4知，随辐照度的增大，采用制冷循环系统将光伏组件降温，对应的电流、电压和功率增大，并且由图知，四个曲线图随时间的变化趋势基本一致，增幅一致，并将光伏组件温度尽可能维持在20-30,尽可能维持较高发电效率，根据计算，可将光伏组件功率提高5%-25%。设置智能温度控制器工作温度，背板温度高于30后压缩机开始工作制冷，可使系统电压、电流和功率升高，而随降温效果辐照度、电压、电流图呈峰状变化。b）光伏组件正背面温度变化252009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:00时间5045403530图4-5光伏组件正、背面温度变化由图4-5知，由于测试当日辐照度和其他因数影响，背板温度会发生不同程度的变化。在降温效果开始时，背板会因为热传导、热对流会继续传热，且传热效果制冷效果，并且实验温度探头和智能温度器探头感应温度不一致的影响，测试组件温度偏高。由图知当温度到达某一摄氏度时，背板温度才开始降低。热传导：Q=九45（4-2）热对流：Q=hAl（4-3）其中，Q表示热量，入表示导热系数，A表示导热横截面积，表示温差，Ax表示组件导热厚度，h表示对流传热系数。（C）冷凝器端水箱温度变化随光伏组件正背面温度变化图4-6水箱温度随光伏组件正背面温度变化由4-6知，当光伏组件正背面温度降低时，冷凝端水箱中介质水温在不断升高，达到光伏组件温度降低，实现水温升高的效果，从而提高光伏组件光电转换效率和热利用的目的。一般当水温达到50°C左右时，将水排除，进行利用。如此循环。其中，水箱收集总热量由式4-3得出：2=C水”水（t2t（4-3）其中Qi表示水吸热量（单位:J）,C水表示水的比热容（单位：JKg°C）；M水表示水的质量（单位：Kg）;3表示实验加入水时初温,t2表示放水时水温（单位:°C）o（d）测试当日光伏组件正背面、水箱、环境温度变化图4-8水箱温度、电池板温度、环境温度表4-1自冷式光伏PV/T系统实验参数参数名称平均值最大值最小值电压25.58V30.29V24.40V电流2.46A8.38A0.54功率65.19W239.03W12.80W辐照度351.8OWm21127.27Wm266.91Wm2光伏组件正面温度35.86°C50.27*C24.31°C光伏组件背面温度35.18°C49.16°C22.54°C水箱温度31.74°C44.76C23.99°C环境温度31.26°C36.230C27.01°C表4-2实验水温变化换水次数时间温度加水体积第一次9：00-12:1422-390C131.第二次12：14-15:0027-43fC131.第三次15：00-16:5128-34131.在2023年4月20日至5月18日进行测试，由表4-1知各个参数平均值和最大最小值;据表4-2统计，换水次数大约3次，换水约391.,根公式4-3计算得总热量8026200J。4.2.结论自制冷式光伏PV/T系统通过光伏发电系统、制冷系统和热泵系统相结合，光伏发电系统发电的同时会产生大量热量，通过制冷循环中制冷剂相变汽化，蒸发器吸收光伏组件背板热量，再结合热泵系统制冷剂液化在冷凝器端放热并对热量进行利用加热水温。实验控制光伏组件最佳发电温度20-30,一方面，可以使光伏组件保持最佳发电温度，提高发电效率。当辐照度保持一定，光伏组件温度下降到最优时，太阳能电池电流、电压和输出功率增大；当温度升高时，太阳能电池电流、电压和输出功率降低；另一方面，自制冷式光伏PV/T系统从光伏背板中吸收热量，实现光伏降温效果，再将吸收的热量转移到水箱中，实现加热水温效果，储存后便于生活各个场景的利用。对比光伏组件正面温度、背面温度和水箱温度,当正面温度和背面温度降低时，水箱温度会相应增大。参考文献1王琪,杨立权,韩东全.我国太阳能光伏发电发展现状及前景J.农业与技术，2015,35(23):168-1702张红梅,尹云华.太阳能电池的研究现状与发展趋势J.水电能源科学，2008,26(6):1937973肖丽仙,何永泰,彭跃红,刘晋豪,李雷.温度对光伏电池转换特性影响的理论及实验研究J.电测与仪表,2014,51(17):62-66.4孙鑫,王文静,李兴元.温度对太阳能电池特性的影响J.实验室科学，2013,16(04):21-23.5王建军.太阳能光伏发电应用中的温度影响J.青海师范大学学报(自然科学版)，2005(01):28-30.D01:10.16229/ki.issnl001-7542.2005.01.008.6李志红,李亚运,崔强.基于提高太阳能发电效率的研究综述J.科技创新与应用，2016(02):129730.7何琪慧,欧修龙,柯尚良，田婷,王明秋.温度对硅晶太阳能电池光电转化效率的影响J.汉江师范学院学报，2021,41(06):12-17.DOI:10.19575/42-1892g4.2021.06.003.8张成昱,李以通,李晓萍,王汉枫.太阳能光伏电池板降温技术浅析J.建筑热能通风空调,2017,36(10):85-87+49.9张晓霞,侯竞伟,殷盼盼,张国.太阳能光伏电池在聚光条件下冷却方式的研究J.沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2008(06):1091-1093+1098.10杨晶晶,刘永生,谷民安,彭麟,张玉凤,高涌.太阳能光伏电池冷却技术研究J.华东电力，2011,39(01)：81-85.11科学家研发太阳能电池降温材料最高可降12.7摄氏度J云南电力技术2015(S2).12ZhangZ.,1.angY.1.,MehendaleS.,ZhangC.Y.,ChenY.,TianJ.J.ExperimentalStudyonthePerformanceofaSolarHeatPumpSystemJ.JournalofEngineeringThermophysics,2022,31(1).13太阳能光伏发电系统的发电原理J.能源与节能,2014(08):186.14王跃河.蒸气压缩制冷循环中RI2、R134a回热问题的研究J.家电科技，2006(06):71-73.致谢时间飞逝，在经过一学期的努力后，论文圆满完成，离不开身边的每一个人。首先，十分感谢我的论文指导教师何永泰老师，在没有思路和头绪的时候给予我帮助和教导，没有何老师的指导和悉心教诲，我很难完成本篇论文的撰写。在论文研究过程中，何老师向我提供了广泛的专业知识和指导，使我能够理清思路，探究问题，能够在实验中大胆尝试，不断改进，在困难的时候迎难而上。在遇到问题是，何老师能够耐心地回答我的问题,帮助我解决技术难题；在我的研窕工作面临挫折和困难的时候，老师也给我鼓励和支持，使我走出困境，克服困难，最终完成了这篇论文。不仅如此，还能在论文实验中让我收获颇多,能够学到很多知识，提高自己的思考能力和动手能力。感谢何老师对我无私的奉献和付出。其次，我要感谢我的班主任刘廷森老师，在实验过程中为我提供良好的实验平台，并在实验中给予我一定的指导和帮助。同时与感谢409小伙伴们，他们一直在我身边，支持我和鼓励我，在我最需要的时候帮助我。在这个千变万化的世界里，没有他们的陪伴，我感到无助和孤独。感谢我的父母和家人们，他们始终支持我，无论我面对何种挑战和困难，他们都在我身边，帮助我走出困境。感谢我的朋友们，他们给了我无限的快乐和支持，让我在研究之余也可以找到生活的乐趣。最后，我要感谢所有给予我帮助和支持的人们，感谢您们给我提供了宝贵的资源和信息来源，让我得以在学业和思想上有所进步。感谢所有的实验室老师，感谢他们为我提供了良好的实验环境和条件，为我提供了必要的设备和资源。感谢所有参与毕设的小伙伴们，他们的配合和支持使得我的研究工作能够更加准确和有力。总之，十分感谢各位老师、各位小伙伴和家人们，没有您们的支持和帮助，我无法完成这篇论文。感谢您们！