硕士论文太阳能光伏直流冰箱的能量管理和系统匹配研究Word格式文档下载.docx
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随着太阳能技术及其相关产业的发展，太阳能热水器、太阳能空调等太阳能产品越来越多地进入了千家万户。
太阳能光伏冰箱在国外已有小批量的产品，而在国内这方面的产品则显得相对落后，因此有必要对太阳能光伏直流冰箱系统进行更多的研究，一方面，这对给没有市电供给的边远山区、牧区、岛屿等地区配备必要的食品冷冻冷藏设备、药品疫苗冷藏设备，以提高这些地区人们的生活质量和医疗条件有重要意义；
另一方面，为未来太阳能光伏制冷的广泛应用提供一定的理论支持。
本文围绕能量管理和系统匹配，对太阳能光伏直流冰箱系统的进行了研究，所得到的结论同样适用于其它类似的、电能的获得与冷量的需求在季节上高度匹配的太阳能光伏直流制冷系统，如直接在室外使用的太阳能光伏直流冷柜系统、太阳能光伏直流冷库系统等。
首先，就太阳能技术发展的背景、太阳能电池理论及研究现状、太阳能光伏制冷等方面进行综述，并对太阳能光伏冰箱的国内外研究现状进行了叙述。
然后，根据独立太阳能光伏制冷系统的特点，设计了一台太阳能光
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伏直流制冷系统，以直流冰箱作为此系统的负载。
并以此为基础搭建了实验测试装置，以对系统的运行数据进行实时采集。
第三，测试了太阳能光伏直流冰箱在晴天、多云及阴雨天气情况下的工作性能，如太阳能电池电压、蓄电池电压、蓄电池充电电流、冰箱电压电流、冰箱温度等参数，根据实验数据对系统的匹配原则进行了修正。
实验数据表明，设计太阳能光伏制冷系统时，必须要考虑单晶硅太阳能电池性能随使用年限的衰减对系统的影响。
第四，分析了太阳辐照度和环境温度对太阳能光伏直流冰箱系统的影响，并在此基础上分析了此系统的地域适用性。
最后，结合实验数据，对本实验中的太阳能光伏冰箱系统进行了火用分析，分析了系统中火用损失的主要环节，指出了提高该系统火用效率的方法，并给出了几种方案。
关键词：
太阳能，光伏，制冷，直流冰箱，火用，能量管理，系统匹配
II
ABSTRACT
STUDYONTHEENERGYMANAGEMENTANDSYSTEMMATCHINGOFASOLARPHOTOVOLTAICDCREFRIGERATOR
Withthedevelopmentofsolartechnologyandtheindustryrelatedtosolar,solarwaterheater,solarair-conditionerandothersolarproductsareusedbypeopleinagrowingnumber.Itisreportedthattherehasbeenlow-volumesolarphotovoltaic（PV）refrigeratorsabroad,buttheseproductsareunderdevelopedincontrastwiththatinforeigncountries,soitisnecessarytogivemoredetailedstudyonasolarPVrefrigeratorsystem.Foronething,itisveryimportantfortheimprovementofthepeople’slivingconditionsandmedicalconditionsintheareaswherethegridisunavailable,suchasremotemountainousareas,pastureareasandsomeinlandsandisletsandsoon.Foranother,thestudywillsupportthemorecomprehensiveapplicationofsolarPVrefrigerationinthefuturetocertainextent.ThefollowingstudiesofasolarPVDCrefrigeratorarecarriedoutaboutenergymanagementandsystemmatching,andtheresultsfromthestudiescanbeabsolutelyusedtoothersimilarsolarPVDCsystemsthattheamountofelectricityfromthePVpanelmatcheswellthecoolingcapacityrequiredbythesystem,suchasasolarPVDCtopopeningfreezerorasolarPVDCcoldstorageandsoon.First,somestudyonthebackgroundoftheadvancementofsolartechnology,thetheoryandthestatusquoofsolarPVpanel,solarPVrefrigerationandsoonisintroduced.Then,thedomesticandoverseas
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developmentofsolarPVrefrigeratorsatpresentissummarized.Second,asolarPVDCrefrigerationsystemusingaDCrefrigeratorasitsloadisdesignedintermsofthetraitsofasolarPVrefrigerationsystem.And,atestingsystemwhichisbasedontheDCsystemisperformedsoastoacquireworkdataofthesystem.Third,thesolarPVDCrefrigeratorsystemistestedunderthreetypicalweatherconditionsthataresunnycondition,cloudyconditionandrainyconditiontogetusefuldataaboutthesystem,suchasworkvoltageofPVpanel,voltageofbattery,currentofbattery,voltageandcurrentoftherefrigeratorandtemperatureofstoragesoftherefrigerator.Thematchingprincipleofthesystemisrevisedintermsofthedata.And,thedatashowsthatthedeclineofperformanceofamonocrystallinesiliconPVpanelwithtimecannotbeenignoredforthedesignofasolarPVrefrigerationsystem.Fourth,impactofsolarinsolationandambienttemperatureonthesolarPVDCrefrigeratorsystemisanalyzed,aswellastheapplicabilityofthesystemindifferenttypicalareasisstudiedonthebasisoftheresults.Finally,exergyanalysisofthesolarPVDCrefrigeratorsystemisconductedaccordingtothetestingdata,then,somecomponentsrelatedtomainlossofexergywerefoundout.Astheresultofexergyanalysis,severalmethodstoimproveexergonicefficiencyareputforward.
KEYWORDS:
solar,photovoltaic,refrigeration,DCrefrigerator,exergy,energymanagement,systemmatching
IV
主要符号
CeE
蓄电池容量，Ah火用，kJ/kg日耗电量，Ah光子能量，eV
TUw
绝对温度，K电压，V单位质量功，kJ/kg表面传热系数，W/（m2?
K）太阳高度角综合系数太阳赤纬角纬度相对火用效率
α
EgfefθFhHHoIKmNPQsSP
禁带宽度，eV太阳能电池倾角修正系数太阳能电池组件损失补偿系数面积，m2焓值，kJ/kg总辐射量，Wh/m2标准辐射值，1000W/m2电流，A传热系数，W/（m2?
K）日照时数，小时数量功率，W热量，W熵，kJ/（kg?
K）灰尘阻挡因子温度，℃
β
δ?
η
ηBA
ηB
效率蓄电池安时效率蓄电池充电效率蓄电池最大放电深度太阳时角线路损失系数蓄电池温度系数厚度，m导热系数，W/（m?
K）波长，μm
θmθSζγ
δλ
t
VII
下标
aBCDef
平均值环境蓄电池冷藏室控制器冷冻室火用风扇
LmpPVsrw
负载标准测试工况最大值并联太阳能电池串联冰箱电线
VIII
上海交通大学学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
刘群生
日期：
2007年01月29日
上海交通大学学位论文版权使用授权书
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保密本学位论文属于不保密√。
（请在以上方框内打“√”），在年解密后适用本授权书。
指导教师签名：
张鹏
第一章
绪论
第一章绪论
§
1.1研究背景及意义
1.1.1环保和节能1974年，有学者提出CFC类制冷剂可能对大气臭氧层有破坏，在80年代科学地确认了CFC类制冷剂造成了大气臭氧层破坏和全球温室效应[1]，加上近些年世界能源危机的日益严重，研发各种环保、节能的制冷系统成为了世界各国制冷研究人员共同关注的话题。
洁净可再生能源中，太阳能是人类可利用的最直接的洁净能源之一。
用光伏电池把太阳能转变成直流电能以驱动一个制冷系统的太阳能光伏制冷系统，一个明显优势是电能的取得和冷量需求在季节和数量上的高度匹配，即冬季太阳辐射弱，太阳能电池的产电量少，此时环境温度低，负载热负荷小，所需的电量亦少；
夏季环境温度高，负载热负荷大，所需的电量大，此时太阳辐射强，太阳能电池的产电量亦多。
同时，用太阳能作为制冷系统的动力源，可以减少使用电能，从而减轻由于燃烧化石燃料发电所引起的温室效应及对环境的污染。
因此，作为洁净可再生能源之一的太阳能的利用方面的研究日益受到世界各国的重视，以太阳能作为动力源驱动制冷系统的研究也越来越为各国的专家、学者所关注。
1.1.2太阳辐射能太阳是一个主要有氢和氦组成的炽热的球体，其表面的温度大约为5762K，而中心温度高达约4×
108K，压力约为2000多亿大气压。
由于太阳内部温度极高、压力极大，因此其内部发生着强烈的核子反应，反应产生的巨大能量以电磁波的形式向四面八方辐射地球接收到的太阳辐射能约占太阳总辐射的二十亿分之一，即使这样，每秒钟地球接收到的太阳辐射能也有约1.757×
1017J，相当于5.25亿桶石油燃烧产生的能量。
太阳的寿命还有约50亿年，因此，可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的。
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上海交通大学硕士学位论文
1.1.3太阳能的利用太阳能的利用主要有热利用和电利用。
太阳能的热利用是指将太阳辐射能转化为热能加以利用，人们通常把收集太阳光转变成热的部件称为集热器。
集热器按其是否聚光，可分为非聚光型集热器和聚光型集热器。
太阳能热利用的常见形式有：
太阳能热水器、太阳房、太阳能干燥器、太阳能蒸馏系统、太阳能海水淡化系统、太阳炉、太阳池、太阳热分解制氢等。
直接利用太阳辐射的热利用虽然设备相对简单，但由于太阳能日夜交替的间断性和天气阴晴、云雨而带来的不可靠性，因此，为了提高太阳能热利用系统的稳定性和可靠性，蓄热设备变的不可或缺，而增加蓄热设备无疑增加了系统的成本和复杂性。
同时，热输送在实际中也不容易实现。
若将太阳能的热利用转化来的热用于发电，即太阳光能转变为热能、再转换为电能，由于此过程的效率受卡诺循环的制约，因此效率较低。
太阳能的电利用是指将太阳辐射能直接转化为电能加以利用。
电在国民经济和人们生活中占有越来越重要的地位，随着中国经济的稳步快速增长及人们生活水平的稳步提高，生产、生活中需求的电量急剧增加。
炎热的夏季是用电的高峰季节，由于电力资源的相对不足，近几年在上海、杭州等华东地区，已多次出现了拉闸限电的情况，因此，若将太阳能转换成电能加以利用，将能一定程度地缓解电能供应不足。
上海地区已建成的太阳光发电系统有上海临港太阳光发电系统（200kW）、上海宝山区野桥菜市场并网供电系统（15kW）等。
太阳能的电利用有其独特的优势：
首先，用太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的过程的效率不受卡诺循环的制约；
同时，电是最高品位的能源之一；
而且，电的输送也非常方便。
所以从这个意义上讲，将太阳辐射能直接转换成电能加以利用是太阳能利用最理想的形式。
转换的电能可以用于空调、照明、制冷等场合。
1.2太阳能电制冷
太阳能电制冷的发展是随着太阳能电池的发展而不断发展的，因为无论是太阳能热电制冷，还是太阳能光伏压缩式制冷，就太阳能的利用形式上来说，都是先将太阳的辐射能转换成电能，然后再用电能进行制冷。
在很长一段时期，由于太阳能电池技术的原因——主要是其转换效率太低，所以太阳能电制冷受到了很大的限制。
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1.2.1太阳能电池的发展基于半导体的光生伏特效应（即光伏现象）将太阳辐射能直接转换成电能的装置叫太阳能电池。
早在1839年，法国科学家E.Becquerel就发现液体的光生伏特效应，这为太阳能电池的出现奠定了理论基础。
但一直到20世纪初，太阳能电池的转换效率也只有1%左右，距离实际的应用有很大的差距。
1954年分别用硅或硫化镉制出了太阳能电池，其中硅的p-n结电池的转换效率达到10%左右。
从发现光伏现象一直到上个世纪六十年代的一百多年间，太阳能电池的发展缓慢。
二十世纪五十年代，太阳能电池基本上都是运用于航天飞机等太空设备上。
二十世纪七十年代的能源危机促进了太阳能电池非太空场合的应用，主要应用于少电缺电的偏远地区等特殊场合。
由于太阳能电池几乎可以做到CO2零排放，所以近些年来，一些国家把发展太阳能电池作为减少CO2排放量的重要措施，太阳能电池的研发得到了这些国家政府的大力支持，太阳能电池工业发展迅速，每年的增长率约为30％[2]。
在太阳能电利用方面，世界各国的研究人员都在致力于高转换效率太阳能电池的研究，目前工业化的硅太阳能电池的转换效率最高可达20％左右。
太阳能电池技术的突飞猛进和太阳能电池工业的迅速发展为太阳能制冷系统的发展提供了广阔的空间。
2000年，第一代太阳能电池——单晶硅和多晶硅体电池——仍占有绝大部分的市场份额，约90％左右[3]。
单晶硅和多晶硅体电池有光电转换效率高、性能稳定、寿命长等优点，但成本较高，目前能达到的光电转换效率为10－18％左右，寿命约为20年。
基于无定形硅/氢合成物或多晶体化合半导体的薄膜太阳能电池[2]被称之为第二代太阳能电池，它不仅具有单晶硅和多晶硅体电池上述的诸多优点外，由于它不需要有昂贵的晶片切割工艺[4]，因此其材料制备工艺也相对简单。
尽管目前的技术所能达到的转换效率约为10％左右，但有文献报道，其光电转换效率有望超过24％[5]，并且薄膜太阳能电池很容易和建筑物的窗户、门或墙体等做成一体，这种在使用上的方便性也使之有巨大的市场潜力。
虽然硅并不是最理想的太阳能电池材料，但从太阳能光伏电池出现到现在，甚至在将来的一段时期内，硅仍将是最重要的太阳能电池材料[4]。
1.2.2太阳能电池研究现状目前太阳能电池的研究热点集中在第三代高效太阳能电池的研究，其中有代表
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性的有Tandem电池、杂质光伏电池（IPVsolarcell）、光线接收装置等[6]。
Tandem电池是采用RF磁控溅射硅和活性氧化硅沉积方法制备的多层Si/SiO2超晶格结构制作的太阳能电池；
杂质光伏电池（IPVsolarcell）则是在宿主半导体中掺入一种或几种能级位于半导体禁带之间的杂质，从而减少热能化的损失，吸收不同能量的光子，提高太阳能电池的太阳辐射能利用率；
考虑到光的波动性，可以采用维度足够小的天线与太阳光耦合来收集太阳光的能量，这就是提出光线接收装置的理论基础，此设想最早由RobertBailey在1972年提出，显然采用天线结构的太阳能收集器的转换效率不再受到热力学卡诺循环的限制，应用到光电转换后其效率也将不在受到热力学局限。
太阳能电池主要分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。
除材料硅，制造太阳能电池的半导体材料还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等，用这些材料制成的太阳能电池有的比硅太阳能电池的理论转换效率还要高。
硅薄膜太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，而前者又分为单晶硅和多晶硅。
据CNN报导，休斯公司研究人员利用太空太阳能电池研究成果，制成一种在地球上使用的太阳能电池，其光电转换效率高达32.3％，而在太空中使用的四结型太阳能电池，其效率已达到40％[7]。
E.Radziemska[8]研究了温度对硅太阳能电池的输出功率、填充因子、和效率的影响。
J.A.delGueto[9]通过测试的太阳能电池的伏安特性，分析了太阳能电池串联电阻和二极管因子对其性能的影响。
M.A.deBlas等[10]给出了一种分析方法，可以利用不同温度和辐照条件下测得的伏安特性曲线数据，求出太阳能电池的串联电阻、并联电阻、二极管因子等各种参数。
G.E.Ahmad等[11]提出了在不同气象条件和设计参数下，太阳能电池的理论分析模型，此模型在不同的电池温度、I-V曲线、P-V曲线和输出参数情况下的预测与实验值吻合地较好。
B.J.Brinkworth[12]采用循环分析方法（LoopAnalysis）建立了太阳能电池通风模型，得到通风量的理论计算公式。
MarkW.Davis[13]采用经验公式，建立了与建筑一体化的太阳能电池的温度预测模型，在不同天气条件下实验，其理论预测值与实验值吻合地较好。
文献[14-18]建立了太阳能电池集热模型，对太阳能电池的集热效率和光电转换效率进行了研究。
ThomachanA.Kattakayam,K.Srinivasan，SiakaToure,WanignonFerdinandFassinou等[19-21]对应用于太阳能冰箱系统中的太阳能电池的匹配原则等进行了研究。
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1.2.3太阳能热电制冷1838年楞次（Lenz）又发现将一滴水置于铋（Bi）和锑（Sb）的接点上,通以正向电流，水滴结成冰，通以反向电流，冰熔成水，此现象被称为热电制冷效应或帕尔帖（Peltier）效应。
太阳能热电制冷就是运用热电制冷效应原理，靠太阳能电池转换太阳光辐射得到的电能驱动热电制冷装置。
虽然在目前技术条件下，在大容量的场合，热电制冷的效率比压缩式制冷的效率低，并且价格昂贵，但在制冷量比较小的条件下，相对于机械式制冷、吸收式制冷，热电制冷有其独特的优势。
上海交通大学代彦军[22]等针对一种太阳能半导体冰箱进行了实验研究与性能分析，实验表明，该装置能够维持冰箱内温度在5～10℃,COP约0.3。
冰箱性能与太阳辐射条件有很大关系，存在分别使COP和制冷量达到最大值的最佳太阳辐照度。
1.2.4太阳能光伏压缩式制冷太阳能电池转换太阳光辐射能直接得到的是直流电能，用它可以直接驱动一个直流传统的压缩蒸汽制冷系统，或者用一个逆变器将直流电转换成交流电驱动一个交流制冷系统。
一个常见的太阳能电压缩式制冷装置通常包括：
太阳能电池、控制器、蓄电池、压缩式制冷负载等部件，若是交流系统，则控制器中通常包括了逆变功能，或在控制器之外单独连接一个逆变器。
1.2.5太阳能光伏压缩式制冷研究现状限于目前的太阳能电池技术水平，工业化批量生产、在实际中使用的太阳能电池，其光电转换效率仍比较低，大约为10～18％，且价格昂贵，约500~800US$/m2。
同时，由于太阳能本身能量密度小（到达地面上太阳辐射最大值约为1000W/m2），所以太阳能电池在整个太阳能光伏压缩式制冷系统的成本中占有相当大的比重，约为50～70％。
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