硕士论文网第2020-12-09期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇
数学论文文章《热管太阳能光伏光热系统的数学建模和系统参数优化》，供大家在写论文时进行参考。
本篇论文是一篇数学硕士论文范文，对热管式 PV/T 系统进行了理论研究与介绍，分析系统的构造与系统的热物理过程及能量流动。提出对普遍的热管式 PV/T 系统进行改造，将普通的圆形热管改变为异型热管，将圆形热管的一面改为扁平状，粘贴在光伏电池板背面，以提高系统的效率。
第 1 章 绪 论
1.1研究背景及意义
能源是现代经济发展的动力。伴随着经济发展进入新常态，我国能源发展面临的国内外形势发生深刻的变化，推动能源生产和消费，发展清洁低碳及安全高效的新型能源是当前的主要发展方向。 改革开放 40 年，中国能源行业发生了巨大的改变，在全球范围内取得了巨大成就，能源生产和消费总量升居全球首位，能源基础设施发展迅速。2017 年，中国能源消耗总量 44.9 亿吨标准煤，同比增长 2.9%，2018 年，我国能源消耗增长速度持续反弹、能源消费结构优化显著。2018 年能源消费总量 46.4 亿吨标煤，同比 2017 年增长 3.3%。天然气等清洁能源消费量占比总能源消费的 22.1%，同比提升 1.3 个百分点。其中非化石能源消费的比例达到 14.3%，提高了 0.5 个百分点。2018 年非化石能源和天然气的消费比重分别达到 14.3%和 7.8%；煤炭消费比重下降到 59.0%。天然气等清洁能源消费占总体能源消耗的占比同比提高约1.3 %，煤炭的消耗占比下降 1.4 个百分点。 可以看到，煤炭等不可再生能源的利用在逐渐被可在生能源代替，可再生能源的重要性，正在日渐凸显。建筑用能在我国终端总能耗中占了比较多的比例，所以实施建筑节能有着重大的意义。在 2017 年，建筑消费的终端能源品种主要是电能，其次是煤炭和天然气。在整体终端能源中，相比较而言，煤炭的消费量在下降，其他能源的消费量均有所提高。电能和热能在建筑用能消耗中占比较大，因此用可再生能源代替相应能源产电产热供给建筑用能是一项重大举措，为推动建筑节能具有重大意义。其中，太阳能就被广泛的应用在建筑当中。太阳能是一种可再生能源，指的是太阳热辐射能，主要表现是常说的太阳光线。我国国土面积十分广阔，太阳能资源是丰富且广泛的。有资料表明，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为 50×1018 k J，全国各地太阳年辐射总量达 335～837 k J/(cm2·a)中值为 586 (k J/cm2·a)。
1.2 关于太阳能利用方式的研究现状
将太阳能应用在建筑领域，主要的利用途径可以分为两个部分，一个是太阳能光热利用，另一个是太阳能光电利用。太阳能光热利用技术，就是把太阳光通过有效的手段转换成热能加以利用。在建筑领域主要包括太阳能热水器、太阳房、太阳能空调等。在当前, 最成熟的太阳能利用技术之一是太阳能热利用技术, 历久弥新, 但仍有很多发展空间。太阳能热水器的工作原理是采用自然循环的方式，真空集热管吸收太阳辐射，使管内的水温增大，因此密度减小，而水箱中的水，温度较低，相较于热水而言密度较大，由于密度差的作用，水箱当中热水上升，冷水下降，从而能够使水箱中的水逐渐加热。按照集热器的原理和结构可分为平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器，其中真空管太阳能热水器可分为全玻璃真空管式和热管式真空管太阳能集热器。目前，国内使用最广泛的太阳能热水器是真空管太阳能热水器。但理论来讲，平板式太阳能热水器与真空管式相比，具有较高的集热效率。周志华从生命周期的角度考虑了两种类型集热器的问题，若以建筑 60a 的使用期来计算，真空管式热水系统环境影响和正面环境影响均优于平板太阳能热水系统，但平板式热水系统的初投资要优于真空管式。刘鸿德对一种新型的热管式平板太阳能热水器性能进行了实验研究，该热水器是基于常规热管和高效平板热管相结合而提出的。实验研究分为紧凑式和分体式两种类型的热水器，结果显示日有效得热量分别为 8. 6 MJ /m2 和 10. 4 MJ /m2，日均集热效率分别为 56. 7%和 60. 7%，实验结果优于国家标准。认为该热水器热稳定性强、抗冻能力强，拥有很好的应用前景。刘力鑫在平板太阳能集热器中融入自制热管，制成 “一体式热管平板太阳能热水器”，并与普通管板式平板太阳能热水器进行对比实验研究。认为一体式热管平板太阳能热水器的热性能优于普通管板式平板太阳能热水器，并且热损系数较低。Mojtaba Moravej认为太阳能集热器的几何形状是太阳能向热能转换的重要因素，因此，设计和研究了一种新型的固定螺旋式太阳能集热器。通过实验研究，认为该集热器的平均热效率约为 53%，可作为一种高效的新型热水器。并且增加质量流量可以提高此种螺旋式太阳能热水器的效率。张涛在以太阳能与燃料电池耦合系统的条件下，对不同的管长和管径、不同吸收率和发射率以及有/无内置导流板 3 种不同情况下的太阳能集热器进行了研究。结果显示，随着管长增加，水温升高，但集热效率是逐渐下降的；当吸收率在 0.95~1.0 内升高，发射率在 0.16~0.06 内降低时，集热效率逐渐上升；在整个玻璃真空管上安装导流板后，真空管的混合流消失，真空管底部的传热效果得到改善，从而提高了太阳能集热器的热效率。M. Arab探讨了脉动热管在太阳能热水器中的应用。为此，设计及建造了一种超长脉动热管应用于热虹吸太阳能热水器中。当脉动热管的填充率为 70%的时候，具有最稳定、最长的功能持续时间，并且此时集热器效率为 53.79%。一些学者也对太阳能集热器的可能出现的问题进行了探讨，肖建华指出在建筑应用中的一些问题，比如在高层建筑中，由于建筑较高，水压较高，在使用的时候，水量变化也不相同，一些不可控的因素都会使太阳能热水器在使用过程中出现热量不均或设备问题。
第 2 章 热管式 PV/T 系统的能量传递过程
2.1 太阳能的光伏光热综合利用问题
虽然太阳能光伏发电和太阳能热利用是大规模应用太阳能的主要方法，但是太阳能光伏发电依然有着效率低、成本高的问题，太阳能光伏光热综合利用技术是解决此问题的重要手段，其根本目的是在太阳能光伏发电的同时回收和利用多余的热能，这不仅给光伏电池带来了冷却效果，而且可以提高发电效率和电池的使用寿命，更重要的是实现“一机多能”，提高太阳能的综合利用效率，同时降低分别供能的成本。近年来，太阳能光伏光热综合利用是太阳能研究中最热门的研究领域之一。其技术优点主要有以下几个方面：（1） 全光谱利用，由于太阳能电池中，其半导体存在着禁带宽度，所以当太阳光照射到电池表面时，只有能量大于禁带宽度的光子才能产生电子空穴对，所以只有一部分太阳辐射被电池所吸收，大部分能量被浪费掉。应用太阳能光伏光热综合利用技术则可以有效利用到更多的太阳能辐射，从而实现全光谱的利用。（2） 多种利用形式，上文中提到，对于太能光伏系统，温度是影响太阳能电池效率的因素之一，太阳能电池在工作过程中，会自身产生热量，升高温度，而且未被电池吸收的太阳辐射也会产生热量，从而影响电池的工作效率。使用太阳能光伏光热综合利用系统，在将太阳能转化为电能的过程中，能够带走电池的热量，并有效的加以利用，提高综合利用的效率。（3） 有效控制成本，将光伏及光热两种技术综合运用起来，可以实现太阳能光伏和太阳能集热两种系统的集成，大大节省了制作材料和安装成本；太阳能光伏光热综合利用技术有效降低了电池工作温度，对延长光伏电池的使用寿命有很大帮助。（4） 灵活输出电量及热量，可以结合建筑物的特点，以及考虑系统的实际投资及利用情况，在制作过程中，选择恰当的光伏电池覆盖率，可对系统的光电及光热输出实现灵活配置。根据不同的情况，进行组件选择及系统设计。（5） 可实现太阳能建筑一体化，太阳能光伏光热综合利用技术是实现太阳能建筑一体化的有效手段。常见的综合利用技术能够同时发电及供给热水，将此种技术与建筑物的围护结构相结合，比如光伏-Trombe 墙、光伏热水-屋顶、光伏热水-墙、光伏-热水窗、光伏-空气窗等，这种类型的建筑一体化设计可以将建筑围护结构用来发电以及供热，还能够很大程度的去控制建筑室内的空调负荷。
2.2 热管式 PV/T 系统
热管式太阳能光伏光热系统主要由热管式 PV/T 集热板、水泵、水箱、太阳能控制逆变器、蓄电池等组成。其中，热管式 PV/T 集热板主要由玻璃盖板、光伏电池、粘合层、吸热基板、热管、保温及联箱组成。热管，作为一种导热元件，具有很强的导热性能，一般由管壳、吸液芯和端盖组成。系统所应用的热管一端为蒸发段，另外一端为冷凝段，蒸发段粘在光伏电池板背面，冷凝段插入联箱当中。其工作进程如下：（1）通过热管管壁和充满工质的吸液芯，将热量从从某一热源传递到液－汽分界面；（2）热管内部的液态工质在热管蒸发段内的液－汽分界面上受热蒸发；（3）受热蒸发后变为蒸汽，从热管蒸发段流经热管冷凝段；（4）由于热管冷凝段插入联箱当中，热量传递给冷源（联箱中的水），蒸汽在冷凝段遇冷凝结为液态；（5）在热管内部，由于毛细作用使冷凝后的工作液体回到蒸发段，以此循环往复的工作。在本课题研究中，由于是将热管粘贴在光伏电池板的背板，但圆形热管与光伏板的接触面积很小，传热效果将受到影响。所以，为了增大热管与光伏板的接触面积，增强换热效果，对热管的形状加以改造，使用异型热管，将热管与光伏板接触的一面做成扁平状。
第 3 章 热管式 PV/T 系统的数学建模与实验验证
3.1 热管式 PV/T 系统的数学建模
3.2 热管式 PV/T 系统实验设计与模型验证
3.3 本章小结
第 4 章 热管式 PV/T 系统的结构参数对性能的影响规律及优化
4.1 基础设计参数
4.2 辐射强度对系统效率的影响
4.3 循环水流量对系统效率的影响
4.4 热管间距对系统效率影响的模拟研究
4.5 光伏电池覆盖因子对系统效率影响的模拟研究
4.6 集热器倾角对系统全年的效率的影响
4.7 本章小结
结论与展望
本文首先对热管式 PV/T 系统进行了理论研究与介绍，分析系统的构造与系统的热物理过程及能量流动。提出对普遍的热管式 PV/T 系统进行改造，将普通的圆形热管改变为异型热管，将圆形热管的一面改为扁平状，粘贴在光伏电池板背面，以提高系统的效率。并且搭建了热管式 PV/T 系统的数学模型。建立实验平台，对所建立数学模型进行验证。最后以数学模型为工具，利用 MATLAB 软件进行分析，结合实验，分析了系统主要参数（辐射强度、循环水流量、热管间距、光伏电池覆盖因子、集热器倾角）对系统性能的影响。太阳辐射能是一种清洁的自然资源，其具有储量丰富、无污染性且应用范围广泛。将太阳能技术应用到建筑节能及绿色建筑领域当中，能够降低建筑能耗，减少不可再生能源消耗所带来的环境污染，是建筑节能的一个重要途径。热管式光伏光热系统是太阳能建筑的一种有效的能源利用方式。热管式 PV/T 系统能够有效利用未被太阳能电池吸收的辐射以及太阳能电池产生的热量，降低太阳能电池工作温度，对提高光伏光热效率具有重要意义。在实验操作中，对传统的热管式 PV/T 系统提出创新改造，将圆形热管的一端做成扁平状，粘贴在热管背面，这样可以加大热管蒸发段与光伏板的接触面积，从而获取更多的热量用于光热系统当中。本文围绕热管式 PV/T 系统的性能参数，展开了理论及实验研究，主要结论如下：（1）作为热管式 PV/T 系统的主要部件，热管式 PV/T 集热器是影响系统整体性能的主要因素之一。分别使用单晶硅太能电池组件和多晶硅太能电池组件，背部粘贴所设计的异形热管，制作了两套热管式 PV/T 集热器组件，用以进行系统的实验研究，实现了系统的高效稳定运行。（2）为研究热管式 PV/T 系统的运行规律以及不同参数工况下系统的性能状况，建立了热管式 PV/T 系统的数学模型。采用 MATLAB 软件进行数学模型程序的编写，数值模拟结果与实验数据结果具有较好的吻合性。证明此数学模型可以用于进行对若管式PV/T 系统的研究。（3）针对热管式 PV/T 系统的主要参数，进行了一系列的模拟研究。太阳辐射强度对热管式 PV/T 系统的效率有一定的影响，辐射强度越大，系统的效率越高；系统设定的循环水流量不同，必定会对系统的效率产生影响，当循环水流量不断提高以后，系统的水温和效率都是有所提高的，说明提高系统的循环水流量可以提升系统的效率；热管间距的大小，决定了一个热管式 PV/T 集热器有多少根热管，从而影响到光伏电池板的冷却效果以及光伏效率和光热效率，随着热管间距的增大，系统的全天平均光电效率和光热效率都呈现下降趋势，表明热管间距越小越好，但考虑到系统的收益、性能以及成本，认为热管式太阳能 PV/T 系统选择的热管间距为 0.07m～0.09m 左右为宜；随着光伏电池覆盖因子的逐渐增大，系统的水温呈现逐渐下降的趋势，系统全天平均光电效率逐渐增大，系统全天平均光热效率逐渐减小，在这个过程，系统的光电效益的增加量要多于光热损失量，系统的总能收益增大，所以，建议热管式 PV/T 集热器的光伏电池覆盖因子大小为 0.8～0.9 为宜；热管式 PV/T 集热器与地面之间的夹角同样是影响系统性能的因素之一，通过模拟研究，建议将集热器倾角设置为当地纬度值或略小与当地纬度值1°～2°。本文实验系统中采用的热管式太阳能 PV/T 集热器，由光伏电池板和热管粘接组成，受制于制造工艺等方面的问题，性能的实验测试结果要略低于模型的模拟计算值，为更大的提高系统的传热效果，热管式 PV/T 集热器的结构和组件安装粘贴技术有待改进。本文的课题研究中，将热管的形状做了改变，用以提高系统的性能，还有一些其他的改造热管的方法，例如使用环形热管、微热管阵列等，都可以提高系统性能，在今后的研究中都可以加以尝试。
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