太阳能光伏热气流复合系统发电性能的实验研究

黄亮一，曹飞

（河海大学机电工程学院，江苏常州 213022）

太阳能光伏热气流复合系统发电性能的实验研究

黄亮一，曹飞

（河海大学机电工程学院，江苏常州 213022）

实验研究了太阳能光伏热气流发电站采用在普通太阳能热气流电站的集热棚上覆盖光伏电池的方法。计算分析结果表明，在集热棚上覆盖光伏电池虽然会稍微降低系统的输出功率，但通过这种方法表现出小尺寸的太阳能光伏电站的潜力，可以有效解决目前太阳能热气流电站需要超大尺寸与超高烟囱的经济效率问题。

太阳能；热气流发电系统；光伏发电系统；性能测试

目前将太阳能转换为电能主要有两种方法：光电法和光热法。太阳能光伏热气流系统能够将太阳能光伏电池与太阳能热气流电站结合起来。太阳能热气流电站从设计原理角度上来说，是为了提升其自身的光热转换效率，因此需要大面积的集热棚与高大的烟囱。但从施工难度与经济角度上来说，往往无法建设如此大规模的太阳能热气流发电站。我们从热力学与传热学角度出发，基于兰州的太阳辐射度，平均日照时数，在一定前提的背景下建立了太阳能光伏热气流复合系统的数学模型，并通过计算机编程进行计算。通过计算机程序的模拟运算得到不同光伏电池面积比下的系统性能与各项参数，并最终得出了相关结论。

1 光伏电池面积比对实际发电功率的影响

我们经过实验观测后，通过整理分析得到复合系统发电功率曲线图1。从图1中可以看出当不管是光伏发电还是热气流发电，其发电量都和该部分所占面积正相关。而随着光伏电池占总面积百分比的不断增加，总发电量先是呈下降趋势随后又升高，存在一个发电效率最低的点。

太阳能光伏热气流复合发电系统中集热棚的面积和光伏电池的面积是影响系统性能的重要因素。研究结果中太阳能热气流发电量与集热棚面积几乎成线性关系，而光伏电池的发电量和光伏电池面积，在光伏电池所占的面积比例超过67%后不再是单纯的线性关系，这也是为何总发电量在光伏电池所占百分比增加后又进一步增加。

图1 复合系统发电功率曲线图

2 光伏电池面积对理论发电效率的影响

从图2中可以看出在光伏电池面积不断增加的情况下，发电效率反而降低。这是因为光伏电池在当前的技术水平下，转换效率仍然较低。

程序中关于发电效率的计算，是假定太阳能集热棚所能接受的辐射量一定，实际发电量降低率比理论发电效率降低率更小，这主要是因为相同面积情况下太阳能光伏电池比太阳能集热棚所能接受的辐射量大得多。

图2 光伏电池面积比与理论发电效率曲线图

3 光伏电池面积比对有效压差的影响

图3给出了光伏电池所占面积比例不断增加时有效压差不断下降，有效压差下降的主要原因是因为随着光伏电池所占面积比例不断增加，有效集热棚面积越来越小，这也是太阳能热气流发电部分发电功率不断下降的原因。

图3 光伏电池面积比与有效压差关系曲线

4 光伏电池面积比对出口密度，出口速度，出口流量的影响

图4 光伏电池面积比与出口密度关系曲线图

图5 光伏电池面积比与出口速度关系曲线图

图6 光伏电池面积比与出口流量关系曲线图

从图4、5、6中可以看出当集热棚面积随着光伏电池面积比增加而减少时，出口密度几乎没有变化，而出口速度大幅度下降。由出口密度和出口速度共同决定了出口质量流量减少。出口质量流量减少导致的透平转速降低是热气流电站发电功率下降的直接原因。

5 光伏电池面积比对出口温差的影响

从图7中可以看出当光伏电池面积比例上升时出口温差出现了下降，出口温差下降幅度巨大，只有纯太阳能热气流电站时出口温差的28%。

图7光伏电池面积比与进出口温差关系曲线

6 光伏电池面积比对集热棚效率的影响

由图8中可以看出随着有效集热棚面积的降低，其效率在极其缓慢的增加，几乎可以忽略不计。在集热棚面积减少了84.2%的情况下，其效率只上升了4.3%。因此太阳能热气流发电功率在集热棚面积减少时呈下降趋势。

图8 光伏电池面积比与集热棚效率关系曲线图

7 结论

集热棚有效面积是影响复合系统性能的重要因素，实验模拟证明了这一点。通过研究发现最重要的参数，即系统总发电功率，在光伏电池面积比逐渐上升时，先出现下降趋势再出现上升趋势，但最终发电功率仍然不能超过普通的太阳能热气流电站。光伏部分发电功率在光伏电池面积超过67.36%后不再呈现线性关系，是复合系统总发电功率发生反弹的重要原因。而太阳能热气流电站部分的各项参数中，集热棚有效面积对出口密度和集热棚自身效率的影响很小，对出口速度的影响很大。出口速度随着集热棚面积的减少而大幅度减少是出口流量减小和烟囱内透平功率下降的重要因素。

［1］周新平，杨家宽，肖波.太阳能烟囱发电试验装置内流场的CFD模拟研究［J］.热力发电，2006，（3）：23-26.

［2］张楚华.大型太阳能烟囱发电站热力分析与计算［J］.可再生能源，2007，（7）：3-4.

［3］徐涛，刘晓红.对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析［J］.广州航海高等专科学校学报，2009，（2）:24-27.

表5 小区测产方差分析表Tab.5Analysis of Variance in Plot Predicated Yield

4 结论

A.与基质对照、清水对照以及常规施肥的空白对照相比，秸秆腐熟剂的使用明显加速玉米秸秆的腐化，腐解速度快、效果好，长期使用对提升土壤有机质含量有重要作用。

B.使用秸秆腐熟剂对当季作物大豆的生长有促进作用，与常规施肥的空白对照，与清水对照相比，增产率为6.33%和7.00%；与产品灭活后的基质对照相比，增产率5.00%。

参考文献：

［1］杨振兴，周怀平，关春林，等.秸秆腐熟剂在玉米秸秆还田中的效果［J］.山西农业科学，2013，41（4）：354-357.

［2］武如心.秸秆腐熟剂品种筛选试验［J］.山西农业科学，2014，42（8）：877-879.

［3］单鹤翔，卢昌艾，张金涛，等.不同肥力土壤下施氮与玉米秸秆还田对冬小麦氮素吸收利用的影响［J］.植物营养与肥料学报，2012，18（1）：35-41.

TK513

A

1674-8646（2016）01-0016-02

2015-10-09

黄亮一（1993-），男，江西赣州人，工学学士，主要从事太阳能热工程、光伏发电研究。

曹飞（1987-），男，江苏泰州人，工学博士，副教授，主要从事太阳能热工程和太阳能光催化工程研究。