具有精确热功率调控功能的先进光伏驱动发热系统

《Scientific Reports》：Advanced PV-enabled heat generation system with precise thermal power regulation

　　

摘要

本研究提出了一种先进的基于光伏技术的发热系统，该系统能够精确调控热功率，适用于电阻加热应用。传统的太阳能热系统通常采用直接的光伏-电阻耦合方式，导致能源利用效率较低；或者采用最大功率点跟踪技术，虽然能最大化电能提取，但对腔室温度的控制能力有限。为解决这些问题，所提出的系统将光伏板与高效同步升压转换器以及混合式功率调节算法相结合，从而在太阳辐射条件变化时仍能实现稳定且可控的热功率输出。研究在多种工作模式下进行了实验验证。在最大功率点跟踪模式下，转换器的效率在86.4%到88%之间，但腔室温度会随着辐照度的变化而大幅波动，这体现了该方式缺乏温度控制功能。在恒定功率实验中，尽管辐照度在560 W/m2到770 W/m2之间波动，系统仍能将功率维持在100瓦，且效率始终高于88.6%。腔室温度从30.2°C上升至60–80°C，其升温时间常数约为880秒，降温时间常数为1100秒。在阶梯式功率测试中，系统能够成功实现50瓦、100瓦和150瓦的功率调节，在现有太阳辐射条件下最大可达到165瓦的功率。系统的热响应表现出一致的一阶动态特性，其平均热阻为0.390°C/W，热容量约为2256 J/°C。这些结果表明，这种基于光伏技术的发热系统具备稳定性与可控性，非常适合用于太阳能干燥机及加热腔室。