反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究

【摘要】： 利用太阳能高效率低成本发电是当前重要研究课题。聚光系统可极大地减少昂贵的光伏电池使用量,降低成本。而采用分频技术则将可用于光电转换频段的太阳能投射到光伏电池上,减小光伏电池散热负荷,提高效率,同时把其余波段集热回收,从而进一步提高太阳能的综合利用效率。因此本文重点对几种太阳能聚光系统的聚光性能进行理论和实验研究分析,并探讨分频器光学特性对性能的影响。 首先以光谱辐射热力学理论为基础,对分频利用太阳能方法进行了分析。提出两级反射聚光分频光伏发电和光热利用的两种方案,采用无量纲分析方法推导了二次反射聚光分频槽式系统几何聚光比的解析计算式。根据光学薄膜的基本原理,使用Needle方法设计了在两级聚光分频系统中使用的低通高反截止膜分频器,高低折射率材料分别选用五氧化二铌和二氧化硅,使用磁控溅射进行了镀膜,实验测得垂直入射时硅电池有效频段的反射率高于95%。采用光线追踪法建立了能流密度分布的光学计算模型,推导了考虑分频作用的局部能流密度分布的计算公式。模型考虑了太阳形状的影响,能够对安装误差、表面坡度等光学误差进行分析,并对跟踪系统误差进行评估。根据所提出的Buie CSR 6的年平均太阳形状模型进行了计算,得到了二次反射聚光分频槽式及碟式系统的分频器、接收器、光伏电池等入射表面上的能流密度分布。由于二次反射存在遮挡使得分频器及热接收器中心能流密度较低,而光伏接受面呈中间高两边低的分布,采用再次反射聚光可以得到均匀的能流密度。同时计算表明分频器安装误差对热接受器能流密度分布影响较小,而对光伏接受面的光强分布有较大影响。 自行设计了双轴调节太阳跟踪装置,其特征在于通过南北向布置的赤经轴按时钟角速度转动,同步带动一个挂在赤经轴两端的内框转动,在内框的东西框边的赤纬轴上安装有接收面支架,由手动螺旋调节机构调节接收面支架的平面与赤经转轴的夹角每天等于赤纬度。跟踪时限从早7点到下午5点,受光面为10 m~2,驱动器功率12 W,该装置可安装四碟式聚光器、半抛物槽和菲涅尔聚光器,其控制系统简单,跟踪精度高,成本低廉,很有应用前景。 提出了半槽式反射聚光系统,该系统可避免接收器遮挡,实现高倍聚光,并且抗风性能好。建立了考虑太阳光不平行度影响的光学模型,研究了几何集中比与聚光镜相对口径和光电池安装位置的关系,给出了不同开口下光伏表面能流密度分布最均匀的电池倾角。对半槽式反射系统的能流密度分布及聚光光伏性能进行了实验研究。采用CCD法得到了能流密度的相对分布并用热流计标定出能流密度分布。进行了光伏组件聚光发电的实验研究。设计了一种以二氧化钛和二氧化硅分别作为高低折射率膜料的分频器,透射全部的可见光及近红外小部分而反射其余辐射光线,理论分析了采用分频技术对电池温度分布及系统效率影响,计算结果表明采用分频可以降低电池温度提高聚光系统的聚光比以及光电转换效率。 提出了两种使用平板玻璃镜获得等光强分布的反射聚光设计新方法,即等光强半槽式和折平板式反射聚光系统。给出了考虑太阳光不平行度影响的等光强半槽式反射聚光系统的设计公式,得到了均匀的能流密度分布。推导了折平板反射聚光系统的平行光聚光公式,可在给定接收截面宽度、倾角、与第一反射面的距离高度时,计算出聚光度所需的反射板数,每块反射板的宽度、倾角及坐标位置;建立了实验装置对折平板聚光系统接收平面能流密度分布进行了测量并进行了光伏组件性能实验,结果表明折平板玻璃镜聚光系统可以得到比半槽式系统更为均匀的辐射能流密度,并且系统的发电效率也较高。 【关键词】：太阳能利用 光伏发电 反射聚光 光学分析 分频技术
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 太阳能利用的方式15-16
• 1.3 太阳能发电16-18
• 1.4 提高太阳能发电效率和降低成本的几种途径18-19
• 1.5 本文的研究思路和任务19-20
• 第二章 太阳能聚光分频利用的理论基础20-34
• 2.1 分频利用太阳能研究概述20-22
• 2.2 分频利用太阳能的理论基础22-25
• 2.2.1 光谱等效温度23-24
• 2.2.2 光谱有效能24-25
• 2.2.3 太阳辐射及其有效能25
• 2.3 几种太阳能分频利用方案25-32
• 2.3.1 一次聚光分频系统28
• 2.3.2 两级反射聚光分频系统28-32
• 2.4 热力效率分析及经济性评估的实例计算32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第三章 两级反射聚光分频太阳能利用系统34-82
• 3.1 前言34
• 3.2 分频器的设计34-38
• 3.2.1 Needle方法34-35
• 3.2.2 评价函数35-36
• 3.2.3 设计结果36
• 3.2.4 能流密度光谱分布36-38
• 3.3 二次反射聚光分频槽式系统38-65
• 3.3.1 基本方程39-41
• 3.3.2 太阳影像及几何聚光比41-46
• 3.3.3 三维光学计算模型46-52
• 3.3.4 能流密度空间分布52-57
• 3.3.5 安装及跟踪误差57-62
• 3.3.6 能流密度均匀性的优化设计62-65
• 3.4 二次反射聚光分频碟式系统65-79
• 3.4.1 数学模型65-68
• 3.4.2 光线跟踪68-70
• 3.4.3 几何聚光比70-71
• 3.4.4 局部能流密度分布71-74
• 3.4.5 跟踪误差的影响74-75
• 3.4.6 光学误差的影响75-79
• 3.5 本章小结79-82
• 第四章 太阳能跟踪器设计82-90
• 4.1 前言82-83
• 4.2 单轴太阳能跟踪系统83-85
• 4.2.1 东西水平式单轴跟踪83
• 4.2.2 南北水平式单轴跟踪83-85
• 4.3 双轴太阳能跟踪系统85-89
• 4.3.1 赤经-赤纬跟踪装置的研制85-88
• 4.3.2 赤经-赤纬双轴跟踪装置的控制88-89
• 4.4 本章小结89-90
• 第五章 半抛物槽式反射聚光系统的理论分析与实验研究90-118
• 5.1 前言90
• 5.2 半抛物面反射聚光系统分析90-96
• 5.2.1 基本方程91
• 5.2.2 太阳影像计算91-93
• 5.2.3 几何聚光比93-94
• 5.2.4 能流密度的空间分布94-96
• 5.3 能流密度分布的实验测量96-102
• 5.3.1 测试装置96-98
• 5.3.2 结果分析98-102
• 5.4 光伏实验研究102-110
• 5.4.1 实验装置102
• 5.4.2 单体电池实验102-107
• 5.4.3 组件性能实验107
• 5.4.4 能流密度均匀性的影响107-110
• 5.5 抛物面反射系统采用分频技术的理论分析110-116
• 5.5.1 短波通宽带分频器110
• 5.5.2 分频损失最小的电池倾角110-111
• 5.5.3 能流密度的分布111-113
• 5.5.4 光热模型113-114
• 5.5.5 光电模型114-116
• 5.6 本章小节116-118
• 第六章 等光强分布平板反射聚光方案的理论与实验研究118-128
• 6.1 等光强聚光问题的提出118
• 6.2 半抛物槽式等光强平面镜反射聚光系统118-121
• 6.2.1 模型分析118-120
• 6.2.2 局部能流密度120-121
• 6.3 折平板等光强反射聚光系统121-127
• 6.3.1 系统设计及分析121-124
• 6.3.2 聚光光伏性能实验研究124-127
• 6.4 本章小结127-128
• 第七章 结论与展望128-132
• 7.1 结论与创新点128-130
• 7.1.1 结论128-129
• 7.1.2 创新点129-130
• 7.2 展望130-132
• 参考文献132-142
• 致谢142-144
• 攻读博士学位期间发表论文目录144-145

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