Исследование фотоэлектрических и тепловых (PV-T) панелей в мире

Глава 1 Введение

В этом отчете представлено и рассмотрено основанное на моделировании исследование фотоэлектрических и тепловых (-) панелей. За последние два десятилетия были проведены многочисленные исследования и эксперименты с фотоэлектрическими системами, которые работали над достижением общей цели получения и максимального использования собранной солнечной энергии. Эффективность фотоэлектрических (фотоэлектрических) систем сама по себе имеет тенденцию снижаться при более высоких температурах окружающей среды подробнее см.. Однако при надлежащем использовании технологии отвода тепла фотоэлементы могут работать в полную силу, а собранное отходящее низкосортное тепло может быть использовано для других бытовых нужд 3. Таким образом, фотоэлектрические панели обеспечивают дополнительные преимущества в эффективности по сравнению с обычными фотоэлектрическими панелями, а поскольку большинство систем отопления в построенных зданиях являются гидравлическими (на водной основе), интеграция фотоэлектрических панелей с бытовыми и коммерческими зданиями может привести к существенному сокращению выбросов углерода в развивающихся и развитых странах по всему миру. Одним из самых простых и непосредственных применений солнечной энергии является преобразование избыточного солнечного излучения в тепло. Системы солнечного отопления были темой многих исследований на протяжении многих лет, а также системы отвода тепла для фотоэлементов для восстановления расчетной эффективности. (Даффи и Госвами - Принципы солнечной инженерии). Таким образом, комбинированное динамическое моделирование и проверка таких систем предоставят нам огромное количество данных и информации, необходимых для оптимизации и управления параметрами, влияющими на конечную производительность системы в режиме реального времени, при этом неизбежно снижая углеродный след в десять раз по сравнению с угольной электростанцией, производящей такое же количество энергии снизу

1.1 Предыстория

Согласно отчету о состоянии возобновляемых источников энергии в мире за 2016 год, темпы роста рынка солнечных фотоэлектрических систем к 2014 году увеличились более чем на 25%, достигнув глобальной общей мощности 227 ГВт. Также сообщалось, что более чем 22 странам удалось удовлетворить более 1% своих потребностей в энергии за счет солнечных фотоэлектрических батарей, а на долю солнечных коллекторов приходится около 357 ТВтч глобальной тепловой мощности. Было подсчитано, что выбросы углекислого газа могут быть сокращены с 1000 г 2 / кВтч до 90 г 2 / кВтч при использовании солнечных фотоэлектрических панелей вместо традиционных ископаемых видов топлива, таких как уголь. (Эванс и др., 2009; Варун и др., 2009, ). Однако, как и любая технология, фотоэлектрическая энергия имеет свои недостатки, из которых стоимость составляет одну из основных частей, где производство электроэнергии обходится в 3 раза дороже, чем энергия ветра и геотермальной энергии, и в 6 раз дороже, чем уголь и другие виды ископаемого топлива, а другая часть - зависимость эффективности от температуры окружающей среды ( др., 2009). Следовательно, необходимы эффективные действия по повышению эффективности фотоэлементов, поскольку, по прогнозам (Международное агентство по возобновляемым источникам энергии), стоимость этих элементов снизится на 57% к 2025 году. Чтобы повысить эффективность фотоэлектрических панелей, были предложены различные методы, одним из которых является фотоэлектрическое охлаждение. Эти способы охлаждения могут быть активными или пассивными, где для активного способа требуется внешняя энергия для приведения в действие системы (например: циркуляционный насос с жидкостью для отвода тепла, выделяемого на фотоэлектрической установке) или пассивное охлаждение (например: система (материал с фазовым переходом)), которая работает просто на принцип эндотермических и экзотермических реакций без необходимости во внешнем драйвере.

Одним из наиболее популярных способов использования и сбора солнечной тепловой энергии являются солнечные водонагреватели, поскольку они являются очень практичным технологическим решением и экономически привлекательны по сравнению с другими видами солнечной энергии (электрической). Тепловая энергия также может быть использована для обогрева помещений, производства горячей воды или воздуха, для подогрева бассейнов, сухих сельскохозяйственных продуктов и т.д. Сегодня по всему миру установлено более 30 миллионов квадратных метров солнечных коллекторов, и коммерческие рынки солнечных коллекторов уже стали устоявшейся отраслью. Таким образом, система использует знакомую конструкцию коллекторов и фотоэлементов и сочетает в себе две системы в своих интересах. Питер и соавт. изучили четыре тематических исследования с использованием пассивной системы , добавленной в качестве внешнего теплоотвода для фотоэлементов. Он пришел к выводу, что фотоэлементы работают с максимальной эффективностью, когда и алюминиевый радиатор действуют как терморегулятор.(Аткин Питер) Настоянный графит ). Следовательно, фотоэлектрическая система должна быть способна повысить эффективность фотоэлементов при одновременном отводе избыточного тепла и использовании этого тепла для других бытовых целей. Эти системы также в два раза экономят площадь, необходимую для установки, по сравнению с установкой отдельной фотоэлектрической и обычной коллекторной систем.

На протяжении многих лет было предложено множество исследовательских методов для моделирования и оптимизации системы , которая может эффективно обеспечивать как электрическую, так и тепловую мощность. Однако большинство этих анализов были проведены в основном только в стационарных или квазистационарных условиях. Цель состоит в том, чтобы полностью смоделировать систему динамически в режиме реального времени и проанализировать результаты в разных местах за весь годовой год, одновременно проверяя с реальными работающими установками и системами в разных местах. Коммерческая система была смоделирована и закодирована в в трех разных местах (Португалия, Великобритания и Индия) и была смоделирована математически для решения методом Рунге-Кутты четвертого порядка. Необходимо также разработать тематическое исследование с учетом полученных результатов для бытового дома, и его производительность можно будет контролировать вместе с соответствующей электрической (литий-ионной) и теплоаккумулирующей системой (), чтобы с пользой внедрить практичную и оптимальную систему, в зависимости от ее местоположения. переменные. Основными влияющими факторами в каждом месте являются температура, облучение, угол падения и скорость ветра. Будут проведены экспериментальные испытания для проверки смоделированной модели с одновременным регулированием таких значений, как расход и температура на входе.

1.2 Цель

Основная цель этой докторской диссертации - успешно смоделировать модель , изучая ее динамическое поведение при различных погодных условиях и изучая изменения при любых динамических обстоятельствах, что также включает в себя исследование интеграции батареи с помощью реальных, практических и лабораторных систем, которые будут установлены для проверки и определите переменные, которые необходимо регулировать при совершенствовании динамической системы. Он также исследует определение оптимальных условий работы для данного и влияние различных конфигураций на желаемую производительность.

1.3. Цели:

1.4. Краткое содержание отчета (изменить после более детального изучения всех глав)

В этой диссертации есть пять глав, посвященных моделированию и оптимизации солнечной фотоэлектрической системы в разных местах с различными системами хранения. В главе 1 рассматривается краткое изложение результатов и методов моделирования, используемых для моделирования системы, в которой обсуждаются предпосылки, цели и конкретные краткосрочные и долгосрочные цели диссертации.  Глава 2 дает представление о последнем доступном обзоре литературы и новых результатах существующих исследований базы технологий возобновляемых источников энергии, в которых особое внимание уделяется оптимизации моделирования (фотоэлектрических тепловых систем) с различными типами хранения как электрической, так и тепловой мощности. В нем также обсуждаются типы методов и методов оптимизации, предпочитаемых и используемых в области исследований.  Основная глава, которая является главой 3 отчета, включает в себя методологию, которой следуют, и почему такая система была выбрана и разработана для прогнозирования производительности системы, а оценка проводится путем сравнения практически запущенных солнечных установок. Затем модель моделируется с использованием различных методов, и все динамические результаты оцениваются и тщательно анализируются на основе недавно полученных данных в главе 4. А в главе 5 приводится отчет о будущих работах, включая будущие практические данные для сравнения с новой системой установки ( Университета Ньюкасла).

Глава 2 Обзор литературы

2.1 Введение:

Солнечная энергия является наиболее распространенной формой возобновляемой энергии, и она может быть направлена с помощью фотоэлементов и солнечных коллекторов. Фотоэлектрические элементы имеют общий КПД 70-80%, в то время как фотоэлементы и солнечные коллекторы имеют КПД около 15% и 60% соответственно. Конструкцией можно управлять для получения либо большего количества тепловой энергии, либо электрической энергии в соответствии с требованиями системы, добавляя глазурованный слой на фотоэлементы (стеклянный слой) для улавливания большего количества тепла, тем самым получая больше тепловой энергии, и это может быть удалено, если требуется более высокая электрическая энергия.

Исследование солнечной энергии с использованием пассивных систем

Общие солнечные коллекторы:

Почему мы решили перейти на : подробно

Фотоэлектрическая технология способна преобразовывать солнечное излучение в электричество с эффективностью от 5% до 25%, что означает, что значительная часть падающей солнечной энергии отражается или преобразуется в тепловую энергию. Это приводит к повышению рабочей температуры фотоэлементов и, как следствие, к снижению эффективности преобразования электроэнергии. По этой причине на протяжении многих лет многие исследовательские усилия были потрачены на разработку гибридной фотоэлектрическо–тепловой () технологии (водяная или воздушная теплоноситель), которая способна производить электрическую и тепловую энергию одновременно ( ., 2008; , 2010 с лучшими общими характеристики двух разделенных систем (т.е. тепловой и фотоэлектрической) (Ван Хелден и др., 2004).

Существуют различные типы , где наиболее распространенным типом является с плоской пластиной, в котором используется либо воздух, либо жидкость, поскольку текучие среды бывают разных типов, при этом наиболее часто используемыми для бытовых целей являются -ячейки с плоской пластиной (). Жидкостный тип имеет более высокую эффективность и лучшую экономическую целесообразность, а также меньшее количество утечек, поскольку теплопередача жидкостей больше, чем у воздуха. Также существуют глазурованные и неглазурованные слои для увеличения получаемой тепловой энергии по сравнению с получаемой электрической энергией или наоборот. Это контролируется наличием глазурованного или неглазурованного слоя. Глазурованный слой имеет дополнительный слой стекла, а неглазурованный не имеет слоя стекла, но может возникнуть проблема перегрева. Глазурованные обеспечивают более высокую тепловую энергию, а неглазурованные обеспечивают лучшую электрическую энергию. Фотоэлектрическая панель, рассматриваемая для этого проекта, изготовлена из продукта компании -01 с электрической и тепловой мощностью 250 Вт и 648 Вт соответственно. Поскольку являются распространенными претендентами на бытовое отопление и обогрев помещений, мы рассматриваем этот тип , поскольку они экономически доступны для бытовых нужд. Типичный состоит из абсорбера, и прозрачного глазурованного или неглазурованного слоя в зависимости от требований, который полностью изолирован. Типичный коллектор с плоской пластиной состоит из абсорбера в изолированном боксе, а трубки, по которым проходит конечная выходная жидкость абсорбера, обычно изготавливаются либо из алюминия, либо из меди, поскольку они обеспечивают максимальную теплопередачу при очень высокой теплопроводности, что необходимо для проектирования системы. Поверхность может быть покрыта антибликовым материалом или нанесено селективное покрытие для предотвращения любой потери излучаемого излучения и увеличения поглощающего излучения, которое может использоваться для теплопередачи системы. Изолированная часть покрывает любые потери с обратной стороны фотоэлектрического устройства и предотвращает потерю выделяемого тепла в атмосферу.Поскольку анализ производительности проводится для прогнозирования производительности , следует отметить, что тепловой поток регулируется основами механики жидкости. Из-за изменения окружающей среды (температуры окружающего воздуха, скорости ветра и солнечной радиации) и условий эксплуатации производительность солнечного коллектора меняется со временем. Модели солнечного коллектора учитывали переходное поведение с использованием различных подходов. Кляйн и др. 3 исследовали влияние тепловой емкости солнечного коллектора с использованием многоузловой модели, которая представляет отдельные компоненты коллектора с температурой и емкостью. Они пришли к выводу, что постоянная времени для узлов составляет порядка нескольких минут. Камминга 4 вывел аналитические аппроксимации температур внутри плоского солнечного коллектора в переходных условиях. Основываясь на том факте, что некоторые тепловые сопротивления традиционного плоского солнечного коллектора меньше, чем у других, Камминга вывел математическую модель из 4 узлов (крышка, поглотитель, жидкость и изоляция). Модель аппроксимирует температуру коллектора в любое время, используя измеренные температуры окружающей среды, изоляции и жидкости на выходе. Однако метод, используемый для решения модели, не подходит для переменных скоростей потока. Хилмер и др. 5 также используют математическую модель с распределенным узлом (до трех узлов), но они используют процедуру решения, которая может обрабатывать переменные скорости потока.Они рассматривают ряд особых случаев, включая сосредоточенную емкость и стационарный режим, и сравнивают свои результаты с экспериментом.Зуева и Магьера 6 вывели модель сосредоточенных параметров для коллектора и получили аналитические выражения для изменяющейся во времени температуры жидкости на выходе. Кристофари и др. 7 вывели систему сопряженных дифференциальных уравнений для изотермических узлов коллектора.Они решили систему уравнений, используя метод Рунге–Кутты. Кадафальч 8 представил подробную численную модель плоского солнечного коллектора. Модель была проверена экспериментальным исследованием коллекторов с одиночным и двойным остеклением в стационарных условиях.Зима и Дзиева 9,10 представили одномерную математическую модель с распределенными параметрами для моделирования переходных процессов, происходящих в жидких плоских солнечных коллекторах. Свойства рабочей жидкости, воздушного зазора и абсорбера, а также коэффициенты теплопередачи зависели от изменяющихся во времени температур. Их модель учитывает зависящие от времени граничные условия. Допущения, сделанные для предлагаемой модели, заключались в следующем: все элементы анализируемого контрольного объема имеют размеры, идентичные элементам реального коллектора, рабочая жидкость течет равномерно по всем трубам, свойства стеклянного покрытия и изоляции являются постоянными, а все коэффициенты теплопередачи вычисляются в режиме реального времени. Экспериментальная проверка показала удовлетворительное соответствие между измеренными и рассчитанными температурами жидкости на выходе из коллектора. В других недавних исследованиях 11,12 также использовалась модель термического сопротивления–емкости. В этих исследованиях эмпирические корреляции для сопротивлений были получены путем измерения и использованы в модели.Модель, разработанная в настоящем исследовании, в значительной степени опирается на модели, разработанные в статье 10. В этом исследовании пять узлов, перпендикулярных потоку, используются для представления слоев плоского солнечного коллектора (стеклянная крышка, воздушный зазор, абсорбер, жидкость и изоляция). В направлении потока коллектор разделен на узлов, и, таким образом, модель относится к модели с 5 узлами. Однако модель, описанная в этом исследовании, также включает в себя резервуар для хранения, который не рассматривается в статье 10. Резервуар для хранения считается сосредоточенным параметром, то есть представленным одной температурой. В модели расход жидкости, падающая солнечная радиация и температура окружающей среды являются входными данными, зависящими от времени. Другие входные данные включают объем бака и начальную температуру системы. Все термофизические свойства жидкости и воздушного зазора вычисляются как функция температуры. Метод основан на решении уравнений сохранения энергии для стеклянной крышки, воздушного зазора,

2.2 Фотоэлектрические тепловые системы:

Типы коллекторов – экспериментов и их результатов - что необходимо отметить для улучшения.

Система имеет различные конфигурации, в которых текучей средой является воздух / вода или поперечное сечение модуля имеет разные слои. Остекление имеет слой стекла, который защищает нижележащий слой от пыли и внешних условий, однако это уменьшает излучение, достигающее фотоэлектрического слоя, и, следовательно, снижает электрическую мощность, но при этом получается более высокая тепловая мощность. Неглазурованные конфигурации не имеют стеклянного слоя и рассматриваются, когда требуется более высокая электрическая мощность и более низкая тепловая мощность. Различные типы поперечных сечений модуля также влияют на выходной отклик и эффективность системы 58. Некоторые из конфигураций показаны ниже

Стандартные условия испытаний для солнечного элемента и солнечных коллекторов уже определены Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, . (). С тех пор было предложено множество методов исследования для моделирования подразделения ; однако стандартизированный метод еще не был обобщен из-за его незнакомой концепции.(МЕТОДЫ ) Не существует стандартного метода тестирования для тестирования как целого модуля. Однако используемые методы представляют собой комбинацию стандартов 12975 и 61215 (соответственно, стандартные методы тестирования коллектора и фотоэлектрической батареи).

Было решено, что сертификация коллекторов / в качестве солнечного теплового продукта возможна при условии, что измерения тепловых характеристик выполняются при производстве электроэнергии в условиях . Кроме того, возможно дополнительное определение тепловых характеристик без производства электроэнергии (разомкнутая цепь для фотоэлектрического модуля). Для электрической нагрузки, применяемой для производства электроэнергии, должно использоваться соответствующее решение для отслеживания (точка максимальной мощности)

Система тестируется для имитации солнечного излучения, контроля температуры, контроля массового расхода и контроля производительности с использованием (модификатора угла падения) в качестве поправочного коэффициента.

Мониторинг производительности системы в основном включает в себя определение тепловой и электрической эффективности системы при совместной работе, а затем сравнение с тепловой и электрической эффективностью обычных фотоэлектрических и коллекторных систем.

Измерения кривой тепловой эффективности:

Один в режиме чистый коллектор, Один в режиме (коллектор в гибридном режиме),

Электрические испытания:

Для определения температурного коэффициента при более низкой освещенности и испытаний на мигалку, работающих как единое целое.(весь ) в соответствии с 61215

Существует два различных метода, с помощью которых можно проводить испытания для получения сертификата : метод стационарного режима (“”) и метод квазидинамических испытаний

- это поправочный коэффициент, зависящий от требований к продукту

Согласно новому обновленному списку, тепловая часть проверяется в соответствии со списком решений 7.10, добавленным в 12975

Уравнения, предложенные Даффи и Бекманом (2006), являются наиболее затратными методами. Некоторые из динамических методов и вкладов коллекционеров и частных лиц обсуждаются ниже

В течение десятилетия наиболее часто используемой конфигурацией для жидкостной модели была (скажем, тип ), где жидкостные трубки изолированы под пластиной абсорбера. Конфигурация солнечного ангела, рассмотренная здесь, имеет жидкостные трубки между фотоэлектрической пластиной и поглотителем (скажем, тип ). Также был проведен анализ конфигурации ребристого типа (тип ), с двойными стенками (тип ) и т.д. Сравнительный анализ для двух различных конфигураций (тип и тип с сетчатым каналом для жидкости.) был проведен для тропического климата . . Было обнаружено, что обе конфигурации имели одинаковый выигрыш и эффективность при незначительно изменяющихся значениях коэффициентов теплопередачи между жидкостью плюс абсорбер и задней панелью плюс фотоэлектрический модуль. В 2007 году Фан и др. решив систему коллектора численно, поток и теплопередача в панели коллектора были изучены с помощью -расчетов.  Экспериментально распределение потока через абсорбер оценивали посредством измерений температуры на задней стороне трубок абсорбера, распределения потока и температуры в панели солнечного коллектора с абсорбером, сконфигурированным по модели типа . Эксперимент показал, что при малых скоростях потока возникают большие различия между вычисленными и измеренными температурами из-за чрезмерного упрощения модели. Несмотря на то, что выполнены 2 и 3 соединения, теплопередача остается одномерной. В 2011 году Зима и Дзиева рассчитали одномерную математическую модель для моделирования переходных процессов и распределенных параметров солнечного коллектора. Свойства рабочей жидкости, воздушного зазора и абсорбера были вычислены в режиме реального времени, коэффициенты теплопередачи также были вычислены в режиме .. Все элементы анализируемого контрольного объема имеют размеры, идентичные элементам реального коллектора. Теоретические и экспериментальные результаты показали хорошую совместимость.

В этом контексте недавние исследования в области комбинированных солнечных фотоэлектрических систем и коллекторов сыграли важную роль в возобновляемой энергетике.

Система по своей сути динамична, поскольку ее входные данные не являются устойчивыми, и анализа устойчивого состояния будет недостаточно для тщательного изучения тепловых характеристик и для управления системой в соответствии с параметрами. Следовательно, мы рассматриваем динамическое моделирование с использованием явного анализа / неявного анализа всей системы с соответствующим энергетическим и эксергетическим анализом. Явный анализ системы может быть нестабильным, если условие стабильности не выполняется. Неявный анализ дает более точное представление о системе, но он несколько сложнее, чем явный анализ.

2.3 Системы накопления энергии:

Поскольку фотоэлектрические элементы имеют электрическую и тепловую мощность, необходимо учитывать оба типа накопителей.

Электрическое хранилище:

В этом проекте рассматривается дизайн для мелкомасштабного или бытового плана, поэтому рассматривается литий-ионный аккумулятор / суперконденсатор, обладающий высокой удельной энергией и эффективностью. Никель-металлогидрид также может быть тщательно проверен на предмет хранения, что является обычным для фотоэлектрических хранилищ, однако при повышении температуры окружающей среды возникают проблемы с перегревом.

Тепловое хранение:

Различные типы термоаккумулирования.

Разумное тепло является наиболее распространенной формой аккумулирования тепла, однако его низкая плотность энергии компенсируется его размером. В используется технология , в том числе технология усиления тепла из-за ее дефектной теплопередачи, хотя она имеет более высокую емкость для хранения. Менее развитый термохимический сорбционный накопитель обладает очень высокой плотностью энергии и емкостью хранения. Коммерчески разработанными продуктами являются и , тогда как технология сорбции находится в стадии разработки. Скрытая и сорбционная технология использует меньший объем для накопления тепла и имеет более высокую плотность энергии, поэтому энергетические исследования должны проводиться в этом направлении.

Однако необходимые материалы стоят дорого, но прогнозируется, что, поскольку цены на ископаемое топливо растут из-за нехватки, эта система станет жизнеспособной заменой и, следовательно, окупит ее первоначальную стоимость в будущем. Гексагидрат хлорида кальция является распространенной формой материала, рассматриваемого для и цеолитов / силикагеля для хранения с помощью термофизической сорбции или солей аммиака / 2 для химической сорбции.

Тепловая и электрическая эффективность и коэффициенты теплопередачи с системами хранения затем могут быть проанализированы и детально изучены в соответствии с рассмотренными параметрами, чтобы выявить отклонения в зависимости от изменения солнечной радиации, температуры, емкости и времени хранения с точки зрения экспериментальных и имитационных моделей. Это может быть использовано для определения эффективных переменных, которые можно регулировать для достижения оптимизированной модели системы.

Система аккумулирования тепла была ключевой темой в течение последних двух десятилетий, поскольку она обеспечивает надежное соответствие при задержке предложения или спроса, а непрерывная поставка может быть достигнута при наличии тепловой защиты и инерции.

2.3 Батарея:

Литий-ионный аккумулятор является очень эффективной системой с точки зрения стоимости и эффективности, поскольку он дешев и обладает высокой плотностью энергии. Точное моделирование поведения батареи затруднено из-за ее внутренних реакций. Однако он был упрощен до эквивалентных схем, где его выходная мощность определяется уравнениями, описывающими его состояние заряда, выходной ток и время зарядки и подзарядки. Эквивалентная схема для батареи может быть описана простой цепью сопротивления с источником напряжения, однако она не включает состояние заряда (), и предполагается, что энергия батареи не ограничена. Это не удовлетворяет потребности, если колебания напряжения оцениваются в зависимости от уровня заряда аккумулятора. Следовательно, рассматривается следующая схема, поскольку изменения в учитываются с помощью переменного резистора

Рисунок 1: Упрощенная схема аккумулятора

Уравнения, описывающие вышеуказанную систему, следующие:

=0-(+)Ибатт

Где -напряжение на клеммах,

0- напряжение разомкнутой цепи,

-терминальное сопротивление, не зависящее от , -постоянная поляризации,

-ток батареи

Коэффициент / показывает резкое снижение, если значение напряжения заряда низкое. Однако, когда приближается к 1 (полностью заряжен), повышение напряжения отсутствует; это представляет модель Преимущество использования этой модели заключается в том, что она обеспечивает подробное представление кривой разряда, а тесно связан с кривыми данных производителя.

2.3 Система хранения :

Тепловая энергия может накапливаться разумно, посредством изменения температуры, или она может накапливаться скрыто, как изменение фазы материала – например, из твердой фазы в жидкую фазу. Процессы фазового перехода характеризуются большими изменениями энтальпии при постоянных или почти постоянных температурах. Системы хранения скрытой энергии с фазовым переходом хранят энергию с большей плотностью и в меньшем диапазоне температур, чем разумные системы хранения энергии, такие как обычные резервуары для охлажденной воды 7. Например, энергия, необходимая для таяния льда при 0 ° , примерно равна энергии, необходимой для нагрева того же количества воды почти до 80 ° (334 кДж / кг при почти постоянной 0 ° против 4,2 кДж (/ кг К) 8).

Преимущества (материала с фазовым переходом)

Эта технология привела бы к выбору размера оборудования ОВКВ для средней нагрузки, а не для пиковой нагрузки . зависит от скрытого накопления тепла. По сравнению с хранением ощутимого тепла, в хранилище не происходит изменения температуры. В некотором смысле каждый материал является материалом с фазовым переходом, потому что при определенных сочетаниях давления и температуры каждый материал может изменять свое агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное). При изменении агрегатного состояния большое количество энергии, так называемое скрытое тепло, может накапливаться или выделяться при почти постоянной температуре. Таким образом, небольшая разница в температуре может быть использована для накопления энергии и высвобождения накопленной энергии. Теплоаккумулирующая способность не коррелирует с размером хранилища.

В системах хранения капсул теплоноситель используется для передачи тепловой энергии от солнечного коллектора к капсулам (зарядка) и от капсул к системе подачи (разрядка). Во время отвода тепловой энергии от жидких ПКМ на стенке капсулы образуется слой твердого ПКМ. Тепловое сопротивление этого слоя увеличивается с увеличением толщины, что приводит к снижению скорости теплопередачи. Аналогично, во время зарядки на стенке капсулы образуется слой жидкого , который имеет более низкую теплопроводность, чем у твердого . Таким образом, этот жидкий слой будет обладать более высоким сопротивлением теплопередаче за счет теплопроводности. Но в реальном случае это увеличение теплового сопротивления предотвращается началом конвективного движения жидкости. Наблюдается, что происходит существенно большее плавление областей, прилегающих к верхней части нагревателя, чем областей, прилегающих к нижней части. Исследования показали, что это связано с наличием естественных конвекционных потоков в расплавленном ПКМ. Экспериментальные исследования вокруг нагретого одиночного цилиндра (с ребрами и без ребер) или массивов цилиндров были выполнены . и Абдель-Вахед и др. Они сообщили, что в концентрической области жидкости вокруг нагретого цилиндра, которая получается на начальных стадиях, теплопередача осуществляется в основном за счет доминирующей роли теплопроводности. Через некоторое время естественная конвекция усиливается, и это влияет на положение фронта плавления и, следовательно, приводит к несимметричному плавлению вокруг оси цилиндров. Результаты также показывают, что плавление происходит в основном над нагретым цилиндром, а под ним происходит очень незначительное плавление.

Характеристики, необходимые для эффективного и предсказуемого хранения тепловой энергии, исключают использование большого количества материалов. На следующем рисунке показано, что гидраты парафина и соли являются полезными ПХМ для домашних хозяйств. Соли и сахарные спирты используются для более высоких температурных диапазонов. Примером использования высокотемпературного хранения энергии является установка концентрированной солнечной энергии (), которая использует соль для хранения энергии для последующего использования. Это частично устраняет проблему непостоянства солнечной энергии.

2.3 Управление и интеграция -

В большинстве случаев панели - необходимо будет интегрировать в существующие системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха () в строительном фонде. Для этого необходимо правильно настроить элементы управления системой, чтобы правильно оптимизировать работу термоэлектрических частей -. В следующем разделе проводится обзор существующих и предлагаемых технологий, которые используются для оптимизированного управления системой -.

2.4 Определение проблемы:

Существует необходимость или пробел в знаниях о системах , поскольку они были недавно представлены на коммерческом рынке. Однако в нем не наблюдалось значительного роста, как в общей системе или общей системе . Они должны быть исследованы, и необходимо определить оптимальную конструкцию и прогнозирующие факторы управления, которые определяют производительность системы .

2.5 Решение проблемы:

Для численного моделирования для конкретной системы необходимо перечислить и завершить сбор данных, таких как структура потребления энергии зданием / домом, годовое солнечное излучение, температуры и погодные условия. Поскольку рассматриваются два разных погодных условия (Великобритания и Индия), были получены разные физические данные. Модели, смоделированные с использованием погодных условий, должны показывать закономерности различий, и эти различия могут быть идентифицированы для поиска общих параметров для получения информации об оптимизируемых параметрах, при этом прогнозируется наиболее эффективная новая модель для данной системы, а также такие факторы, как скорость потока и температура на входе или выходе, которые необходимо контролировать для повышения производительности системы.

Глава 3 Моделирование, методология и проектирование :

В производстве солнечных элементов фотоэлементы на основе монокристаллического кремния составляют примерно 80% производства фотоэлементов. Их эффективность может достигать 28% ( ., 2012), но для большинства коммерческих монокристаллических элементов эффективность, как правило, составляет от 15% до 17% ( ., 2013). Основными факторами, влияющими на эффективность фотоэлементов, являются интенсивность солнечного излучения, качество используемого полупроводника и рабочая температура фотоэлемента ( ., 2010). Из этих факторов контроль температуры фотоэлемента является наиболее практичным методом повышения эффективности элемента. Общепринятая взаимосвязь между температурой и эффективностью фотоэлемента из монокристаллического кремния указывает на то, что выработка электроэнергии снижается примерно на 0,4–0,5% / К ( ., 2010; и , 2013; и , 1994)

3.1 Тематические исследования и результаты:

моделируется в трех разных местах для сравнения параметров. Рассматриваемые три места - Португалия, Кочи и Ньюкасл. В Кочи и Ньюкасле совершенно противоположные погодные условия, в то время как в Португалии погода стабильная. В тематическом исследовании в Португалии рассматриваются уже установленные фотоэлектрические и солнечные тепловые коллекторы для сравнения с ежемесячными данными, доступными в Интернете, то есть данными за 2016 год. Погодные данные для трех местоположений получены из , и эти данные могут быть использованы для любых целей моделирования, поскольку они являются реальными данными с метеостанций. Для этого моделирования используются почасовые данные о значениях температуры, ветра и облучения за весь 2013 год. Однако, поскольку в Великобритании очень низкие температуры, коллекторную жидкость необходимо смешивать с 40% этанол-гликолем, чтобы избежать замерзания жидкости в трубках.

3.2 Моделирование и проектирование :

Чтобы изучить модель (-01), нам необходимо выяснить технические характеристики, которые могут быть изучены с помощью целого ряда анализов, таких как энергетический анализ и эксергетический анализ. Энергетический анализ основан на уравнениях энергетического баланса и не дает полных данных, необходимых для изучения модели . Эксергетический анализ дает пользователю оценку качества произведенной электрической и тепловой энергии.

Было проведено большое количество исследовательских работ для изучения характеристик различных типов конфигураций / , оптимизации их геометрических размеров и предложения предпочтительных рабочих параметров, связанных с / . В результате было получено много полезных результатов и убедительных замечаний, которые выборочно обозначаются следующим образом:

Хендри разработал теоретическую модель для плоских солнечных коллекторов / и с помощью модели провел исследование тепловых и электрических характеристик воздушного и жидкостного солнечных коллекторов / . Он пришел к выводу, что, когда фотоэлектрические модули не работают, коллекторы на воздушной и жидкостной основе могут достигать максимальной тепловой эффективности 42,5% и 40% соответственно. Однако, когда фотоэлектрические модули работали, блоки на воздушной и жидкостной основе получали несколько более низкую тепловую эффективность, которая составляет 40,4% и 32,9% соответственно. Измеренный пиковый электрический КПД этих устройств составил 6,8%.

использовал хорошо известную тепловую модель – для плоских солнечных коллекторов для анализа производительности комбинированного / коллектора. Слегка изменив параметры, существующие в оригинальной компьютерной программе, модель стала доступной для анализа динамических характеристик коллектора / . Предполагая, что электрическая эффективность солнечных фотоэлектрических батарей линейно снижается при повышении температуры элементов, были получены тепловая и электрическая эффективности комбинированного коллектора / , и результаты были дополнительно проанализированы для установления корреляции между эффективностью и различными рабочими параметрами коллекторов.

Рагураман и др. разработали две одномерные аналитические модели для прогнозирования тепловых и электрических характеристик как жидкостных, так и воздушных плоских коллекторов / . При анализе учитывалась разница температур первичного поглотителя (фотоэлементов) и вторичного поглотителя (плоская пластина теплопоглотителя), и был рекомендован ряд конструктивных замечаний для обеспечения максимального использования энергии коллекторов.

Берген и Ловвик с соавторами разработали специальную математическую модель / и связанные с ней алгоритмы, позволяющие количественно прогнозировать производительность системы. Модель была создана на основе анализа передачи энергии, включая проводимость, конвекцию и излучение, инициированного Даффи и Бекманом, и результаты работы модели показали, что общая эффективность / коллекторов находится в диапазоне 60-80%.

Сопиан и др. разработали стационарные модели для анализа производительности как однопроходных, так и двухпроходных воздухосборников / . Модели давали температурные профили стеклянной крышки, пластин и воздушного потока, в то время как средняя температура пластины могла быть применена для оценки эффективности фотоэлектрических элементов. Анализ производительности показал, что двухпроходный фотоэлектрический тепловой солнечный коллектор обеспечивает лучшую производительность, чем однопроходный модуль, при нормальном рабочем диапазоне массового расхода. Кроме того, тепловая и комбинированная тепловая и электрическая эффективности увеличивались, когда коэффициент уплотнения (определяемый как отношение площади фотоэлемента к площади поглотителя) уменьшался; тогда как электрическая эффективность фотоэлементов немного снижалась.

Санднес и Рекстад с соавторами сконструировали фотоэлектрическую установку, используя полимерный солнечный тепловой коллектор в сочетании с фотоэлементом из монокристаллического кремния. Аналитическая модель, полученная на основе уравнений Хоттела–Виллиера, была использована для моделирования распределения температуры и производительности как тепловой, так и фотоэлектрической частей. Результаты моделирования соответствовали экспериментальным данным. Они обнаружили, что наклеивание солнечных элементов на поглощающую поверхность уменьшит поглощаемую панелью солнечную энергию (примерно на 10% от падающей энергии) из-за более низкого оптического поглощения в солнечных элементах по сравнению с черной поглощающей пластиной. Кроме того, существует повышенное сопротивление теплопередаче на поверхности абсорбера и внутри жидкости, что снижает коэффициент отвода тепла коллектором, . Более того, они пришли к выводу, что температура солнечных элементов сильно зависит от температуры системы (входной жидкости), а также от характеристик теплопередачи коллекторов. Поэтому комбинированная концепция / должна быть связана с приложениями с достаточно низкой температурой, чтобы обеспечить желаемый охлаждающий эффект.

Среди многочисленных методов, использующих уравнения энергетического баланса на каждом выбранном узле, Чоу смог успешно реализовать явную динамическую модель , используя метод конечного объема управления, который использует анализ семи узлов, в то время как Никколо Асте . . выполнен 5-узловой анализ с использованием различных параметров желаемой системы. Уравнения энергетического баланса, полученные для энергетического анализа, могут быть решены в числовой форме матрицы / уравнения и уравнений коэффициента излучения итерационным методом. Эксергетический анализ (основанный на первом и втором законах термодинамики), проведенный , был основан на скорости выхода чистой эксергии и Тивари и др. был основан на потерях эксергии, которые имеют погрешности при низкой солнечной радиации. Рассматриваемая здесь модель выполнена явным методом конечных элементов с помощью 7-узлового анализа. Некоторые из допущений, рассмотренных для модели -01:

3.2.1 Энергетический анализ:

Моделирование выполняется с помощью неявного метода конечных разностей, анализа пяти узлов для поперечного сечения панели -01. При нормальном падении солнечного излучения мы рассчитываем коэффициент пропускания и поглощения для фотоэлектрического и стеклянного покровного слоя.

Эквивалентная тепловая сеть: эквивалентная тепловая сеть рисуется с использованием метода трассировки лучей ( 1991).

В этом разделе представлена математическая модель, описывающая систему плоских солнечных коллекторов с учетом переходных свойств ее различных зон. В предлагаемой модели анализируемый контрольный объем плоского солнечного коллектора содержит одну трубку, которая разделена на пять узлов. Мы рассматриваем пять узлов поперечного сечения и получаем уравнения энергетического баланса в каждом узле. Энергетический баланс, вызванный массопереносом во время циркуляции жидкости внутри солнечного коллектора, учитывается определением того, что температура коллектора зависит от координаты в направлении потока жидкости. Взятие узлов в направлении потока означает, что модель описывает (5 ) узлов. Управляющие уравнения были получены путем применения общего энергетического баланса для каждой зоны в анализируемом контрольном объеме солнечного коллектора. Для одномерной теплопередачи общий энергетический баланс определяется изменением внутренней энергии, эквивалентным выделяемому теплу, и разностью скоростей теплопередачи в системе, потери, а также потери поглощения. Генерируемая рассчитывается по формуле = (τα) -, = электрическое усиление на фотоэлектрической пластине.

На фотоэлектрической пластине (непрозрачной) задается теплопередача с пластиной-поглотителем

= НуаКа/δ +σ( 2 +)( + )/(1/ +1/-1)

Число Нусслета вычисляется по формуле Холландса для между двумя параллельными пластинами

Где - число Рэлея.

и составляет 1,502 из спецификации области -01

В узле поглощения:

Мы находим = 2 / δ—на основе проводимости

На внешней поверхности трубы с абсорбером коэффициент теплопередачи, возникающий за счет конвекции, задается как =* / δ, а число Нусслета вычисляется как

В узле изоляции:

Теплопередача происходит на задней стороне модуля через воздух, и предполагается, что температура воздуха равна температуре сзади.

1/ =1/ + 1 /

В узле текучей среды

Внутренняя поверхность трубок для жидкости имеет скорость теплопередачи = * / , где число Нусслета задается следующим образом, предполагая полностью развитый ламинарный поток из-за арфовой конструкции коллектора.

Также вычисляется площадь, связанная с каждым узлом.(Рассчитанный :. )

Следовательно, будущие временные шаги вычисляются с текущими временными шагами. Поскольку округление выполняется путем расширения Тейлера, ошибки усечения могут повторяться итеративно, оставляя большую ошибку, если временной шаг слишком велик.

3.2.2Эксергетический анализ:

Эксергетический анализ основан на втором законе термодинамики, его выходные уравнения приведены в виде и рассчитаны в . Эксергетический анализ проводится для того, чтобы получить качество выходного сигнала, полученного на основе энергетического анализа.

Где 0 - температура на выходе.

3.3 Анализ :

Уравнения вводятся в код для моделирования модели для заданной температуры. Входные параметры вводятся в код для погодных условий Великобритании, и для получения результатов может быть проведен почасовой анализ. Некоторые расчеты были сделаны в , а именно коэффициенты теплопередачи. Необходимо проверить стабильность системы, и если это условие не выполняется, необходимо скорректировать временной шаг. И весь процесс заключается в . узнайте температуры в каждом узле каждого из пяти элементных узлов.

Глава 4 Оценка с помощью моделирования

4.1 Моделирование :

Чтобы изучить модель , мы рассматриваем границы модели -01 от компании , и нам нужно выяснить технические характеристики, которые можно изучить с помощью целого ряда анализов, таких как энергетический анализ и эксергетический анализ. Чтобы проанализировать модель в , мы рассматриваем три разных местоположения Лиссабон, Португалия (на 38.7223 ° северной широты, 9.1393 ° ), Ньюкасл, Великобритания (на 54.9783 ° северной широты, 1.6178 ° ) и Кочин, Керала (на 9.9312 ° северной широты, 76.2673 ° ). Регулярно реальные изменяющиеся условия, такие как температура, ветер и солнечное излучение (из метеорологических данных белого ящика) с часовыми интервалами, подвергаются воздействию модели в течение года (2013). Поперечное сечение модели наглядно представлено ниже, включая размеры.

Технические данные модуля извлекаются для использования в коде для анализа системы. Код системы можно представить в виде блок-схемы. В качестве предпочтительного метода решения системы ОДУ и выбран метод Рунге-Кутты четвертого порядка. строится в методом разделения переменных. Метод Рунге-Кутты обладает наивысшей степенью точности и допуском ошибок 10-4.

Для проверки одного из моделирований у нас есть практический результат запуска солнечной электростанции в Лиссабоне, Португалия. Солнечная электростанция имеет отдельно работающие фотоэлектрические панели и солнечные коллекторы. Технические характеристики используемой здесь солнечной панели приведены ниже.

Мы можем получить более высокую тепловую отдачу от панели, если увеличим массовый расход, вышеуказанная мощность может быть сопоставлена с максимальной тепловой мощностью 648 Вт.

Выполнив все уравнения для одного узла ( = 1), мы можем получить соотношение между тепловым и электрическим приростом в Ньюкасле, Великобритания, в 2013 году.

Тепловой КПД и электрический КПД рассчитываются на основе данных , полученных для одного узла, и повторяются в течение всего года.

Сравнение с другими практическими моделями

Описанный выше эксперимент был проведен компанией на ПВТ типа А. Используемый метод представляет собой явный метод анализа 7 узлов, в котором условия воды на входе и выходе вычисляются из явных уравнений. Скорость потока воды составляла 0,004 кг/с. Температура воздуха была 17 градусов по Цельсию. Когда облучение уменьшилось на 25%, немедленно снизился до уровня, лишь немного превышающего 25% от исходного (поскольку снизился). Тепловыделение постепенно снижалось, как и .Мгновенная эффективность мгновенно возросла до более чем 90% в течение первой минуты. Это усиление было вызвано сохраняющимся высоким уровнем при низком уровне излучения. 2 показал незначительное изменение, уменьшаясь теми же темпами, что и . На 660-й секунде 2 упал до уровня всего в 2 градуса Цельсия по сравнению с 0.

В нашей модели наблюдается увеличение тепловыделения в летние месяцы, в то время как эффективность не очень высока.Прирост электроэнергии за этот период, очевидно, снизился.Однако тепловое усиление, оставаясь высоким, не показало более резкого увеличения.

Рисунок, полученный из уравнений , показан следующим образом:

Без связующего узла.

С узлом связи.

Анализ проводился с узлом связи в узле абсорбера и жидкости и без него. Моделирование с узлом соединения показало, что соединение и жидкость разделяют повышенную скорость теплопередачи, однако без узла соединения и меньшего контакта абсорбер и жидкость имеют более высокие температурные показатели со временем.Как видно, за короткий промежуток времени жидкость нагрелась до более высокой температуры.(Уравнение, показанное выше, не содержит узла связи)

4.2 Моделирование фотоэлектрических и тепловых коллекторов для различных мест с помощью

Для сравнения моделей с моделями и и отдельными коллекторами мы можем моделировать с помощью для всех местоположений в 2013 году. Используя доступные файлы и онлайн-плоттер в , модель для фотоэлектрического и плоского коллектора была смоделирована следующим образом. Параметры для размеров фотоэлектрической системы и размеров солнечного коллектора были отредактированы для моделирования. Размеры и коллектора взяты из размеров , предполагая, что один слой либо , либо Коллектора отсутствует. Благодаря этому было оценено, чтобы найти различия в эффективности, если фотоэлектрический и тепловой коллекторы объединены, и если да, то определить, есть ли какие-либо улучшения, и определить, какие параметры необходимо контролировать для улучшенной работы системы фотоэлектрической обработки. Этот результат может быть использован в качестве будущих справочных материалов для понимания различий в моделировании с помощью различных методов, конфигураций и их преимуществ.

4.3 Фотоэлектрическая модель с батареей.

Фотоэлектрический преобразователь в системе имеет электрическую мощность в системе, которая уменьшает его мощность в зависимости от температуры окружающей среды в зависимости от погодных условий. Следовательно, это можно наблюдать на выходе плоской пластины . Следовательно, подключив батарею емкостью 160 А/ ч к выходу фотоэлектрического устройства, мы получаем следующий график погодных условий в Великобритании

Этот анализ проводится в течение недели (168 часов).Замечено, что запускает цикл зарядки, когда фотоэлектрический элемент имеет действительные значения облучения, а цикл зарядки в течение 1-й недели января имеет более низкие температуры, и, следовательно, запускается очень часто. Максимальное количество заряда, до которого заряжается аккумулятор без минимального уровня 20%, составляет 12%. Если можно установить контроллер заряда, чтобы предотвратить разрядку аккумулятора ниже 20%, тогда мы можем предположить, что за неделю было достигнуто около 32% заряда без какой-либо нагрузки применяется к .Это указывает на очень низкую эффективность батареи, следовательно, следует использовать более совершенную систему или батарею меньшей емкости.

Приведенный выше график получен с помощью решенных уравнений Шеперда в и смоделирован для 2013 года в Кочи.Следовательно, применяя аналогичные концепции, при минимальном заряде 20% мы получаем около 69% заряда (49 + 20), который может быть достигнут с помощью контроллера заряда.Этот результат получается без применения какой-либо нагрузки. Таким образом, около 69% зарядки может произойти к концу недели.

4.4 Проектирование системы :

Исходя из приведенных выше наблюдений, модель для системы может быть спроектирована следующим образом, включая ее систему хранения. Накопитель тепла может быть либо , либо адсорбционным, в зависимости от модели, требуемой для конкретного места.

Коллектор для электрической мощности нуждается в контроллере заряда, чтобы предотвратить разрядку аккумулятора до 0%.Следовательно, заряд поддерживает выходную мощность минимум на 20% в своем резерве. Преобразователь постоянного / постоянного тока необходим для более высокой выходной мощности солнечного коллектора, так как выходная мощность одного модуля не очень высока, и он должен работать на более высокой нагрузке в домашнем хозяйстве для бытовых нужд в случаях отсутствия питания или снижения подачи из хранилища.Нагрузка переменного тока также может быть подключена к преобразователю постоянного/ переменного тока для получения нагрузки переменного тока.

Очевидно, что тепловая секция системы нуждается в системе аккумулирования тепла, оснащенной тепловым насосом для коллекторной жидкости, которую необходимо поддерживать на уровне 20/25 градусов Цельсия, чтобы температура в резервуаре не опускалась ниже этой отметки.Поскольку это снижает производительность, может потребоваться дополнительная подача тепла для или адсорбция для его испарителя для более высокой производительности, что, в свою очередь, снижает эффективность системы. Это является серьезным недостатком тепловой системы при более низких температурных погодных условиях.

Глава 5 Будущие работы

В этом отчете изложено продолжение работы по разработке модели, основанной на первом принципе, для систем - с использованием запатентованного продукта. Тематические подразделения будут развернуты в (а) лабораторных условиях с использованием интегрированной системы преобразования и хранения энергии в школе машиностроения университета Ньюкасла и (б) в реальных полевых условиях на крыше нового здания ( ), которое будет открыто в сентябре 2017 года. Детали дизайна продукта были получены от производителя, и были разработаны два набора моделей для имитации термоэлектрической мощности системы. Для развернутых комплектов - были установлены обширные контрольно-измерительные приборы для измерения объема потока теплоносителя, температуры в проточных и обратных соединениях и электрической мощности. Также был введен в эксплуатацию локальный погодный файл для сбора данных о солнечной радиации, температуре воздуха и скорости ветра, чтобы обеспечить соответствие модели данным реального мира. Эти фактические полевые и лабораторные данные в конечном итоге будут использованы для калибровки модели, основанной на первом принципе, изложенной в этой работе. Первая попытка была изложена в представлении за первый год, в то время как текущее представление за второй год было сосредоточено на сообщении о разработке моделей. Области работы по моделированию, требующие дальнейшего развития, заключаются в следующем:

Моделирование всех погодных условий для системы для сравнения с выходными данными .

Экспериментальная установка для проверки теоретической модели в трех различных погодных условиях. Модель должна быть получена и опробована в соответствии с параметрами, рассмотренными в теоретическом анализе, и, таким образом, проводить сравнения и делать выводы о достоверности теоретической модели. Эти входные параметры следует использовать для имитации вывода для хранения. Также подробный практический и теоретический анализ для хранения и проектирования аккумуляторных батарей с использованием .