基于聚光分频技术和改进型LFR聚光器的光伏/光热综合系统研究

【摘要】：太阳能是重要的可再生能源,其高效利用己成为重要的研究课题。传统上,太阳能利用方式主要有光伏转换和光热转换。这两种方式均受制于较低的太阳能能流密度。采用聚光方式提高太阳能的辐射能流密度,光热利用时可提高集热温度,提高效率；光伏转换时则可减少光伏电池用量,降低成本。而且聚光电池具有比平板光伏电池更高的光电转换效率。因此,太阳能的聚光利用具有良好的前景。然而某些类型的聚光系统如碟式系统、槽式系统的焦斑能流分布不均,影响光伏电池转换效率。因此研制具有均匀焦斑的低成本、高性能的新型聚光器在聚光光伏应用中具有重要意义。聚光光伏发电的聚光倍数为数十至数百,且由于光伏电池仅能转换特定光谱区间的太阳辐射能,其余谱段的辐射能在电池内耗散为废热,造成电池严重的热负荷。对于光伏电池废热的利用,主要有光伏-热水系统等传统型电热联用系统,利用冷却介质对光伏电池进行冷却,而冷却流体则被加热成热流体以资利用。这种系统提高了太阳能的综合利用效率,但由于冷却介质温度受限于光伏电池工作温度,热利用效率很低。光谱分频技术可实现对不同光谱的太阳辐射能的分配,因此在聚光光伏利用中可将能高效光伏转换谱段的太阳辐射输送至光伏电池,将其余谱段的太阳辐射能集热回收。光谱分频技术不仅从源头上降低了光伏电池的热负荷,还实现光伏转换过程与光热转换过程的相互独立,使得热利用系统可获取比传统电热联用系统更高的集热温度。本文在传统线性菲涅尔聚光器的基础上,提出了一种改进型的聚光器,在此聚光器平台上构建了一种基于光谱分频技术的新型聚光光伏/光热综合利用系统,并围绕这一新型电热联用系统展开理论分析和实验研究。 首先,提出了一种集光平板倾斜布置的改进型线性菲涅尔反射式(LFR)聚光器设计方案。以此聚光器为平台,提出了一种基于光谱分频技术的新型太阳能聚光光伏/光热综合利用系统方案。描述了该聚光分频利用系统中各部件之间的几何关系,并以几何聚光比和面积利用率为目标函数,对该系统的结构参数进行了优化计算。在考虑主要光学误差的前提下,利用光学仿真软件对该系统进行了光学仿真。仿真结果显示焦斑位置能流密度分布均匀,适于光伏电池使用；且在未使用再反射镜时热接收器已可收集约86%的光谱分频器反射能流。 其次,以优化计算获得的结构参数构建了上述改进型LFR聚光器,并在此聚光器上搭建了太阳能聚光光伏/光热综合利用的实验装置。利用CCD测试法对实际聚光器的焦斑能流分布进行了测试,测试结果与光学仿真结果一致。利用该实验装置,测试了单晶硅电池和砷化镓电池在不同聚光倍数的全光谱太阳辐射下的I-V特性曲线,分析了各光伏电池性能的优劣。同时还测试了等光强的不同单色光光照条件下单晶硅电池的I-V曲线。根据曲线特征,得出在高辐照能流密度下,光伏电池的开路电压同低辐照能流密度下相似,具有微弱的光谱依赖特性。对影响光伏电池转换效率的内外部各因素展开深入分析,描述了光伏电池在单纯聚光以及聚光分频两种工作条件下的开路电压、短路电流以及填充因子三要素的表达式,根据转换效率的定义式即可计算出相应条件下光伏电池的转换效率。同时还构建了聚光条件下光伏电池的转换效率模型,并检验了该模型的可靠性。根据效率模型,分析了光伏电池聚光利用时存在最大转换效率并对应最佳聚光倍数。 再次,建立了中高温太阳能热利用系统性能分析模型。对黑体表面和不同截止波长的理想选择性吸收表面的热接收器进行热力学分析,得出中高温太阳能光热利用效率与热接收器表面性质、入射能流密度及集热温度的关系。分析了传统的单纯聚光光热利用系统和采用聚光分频系统中的热接收器表面涂层的特性,确定了这两类系统中热接收器的最佳工作温度、系统热功转换效率与入射能流密度之间的关系。数值计算表明,单纯聚光光热利用系统中的中高温热接收器的最佳截止波长为1.6～2.0μa；而采用硅电池或砷化镓电池的聚光分频系统中的热接收器选择性吸收涂层的最佳截止波长为2.2～2.6μm。同时给出了对带有实际选择性吸收涂层的热接收器的最佳工作温度及对应的最大效率的分析计算方法。 最后,针对聚光分频系统,提出通过比较光伏电池的光谱转换效率和设定工作温度下热利用子系统的最大效率的大小,来确定太阳光谱最佳分频位置。计算了采用不同光伏电池的聚光分频利用系统的总效率。并以采用单晶硅电池和采用特定截止波长的热接收器的热利用子系统构成的CPV/T分频利用系统为案例,根据聚光分频利用系统的结构及各部件的光学特性,计算了各环节的能量分布及系统总效率。计算结果表明,相同工作条件下聚光分频利用系统比单纯聚光系统具有更高的效率,且CPV/T分频利用系统的整体效率受温度影响低于相同条件下的CPV系统。因此,太阳能聚光分频利用系统具有良好的应用前景。 【关键词】：太阳能 光谱分频技术 聚光光伏/光热综合利用 线性菲涅尔聚光器 选择性涂层 光伏转换效率 光学分析 热力学分析
【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】：2014
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 符号表13-16
• 第1章 绪论16-36
• 1.1 研究背景16
• 1.2 太阳能利用综述16-21
• 1.3 太阳能利用基础理论21-26
• 1.3.1 经典黑体辐射理论21-22
• 1.3.2 太阳能接收器的表面热辐射特性22-23
• 1.3.3 太阳轨迹计算方法23-24
• 1.3.4 太阳能聚光利用的热力学解释及非成像光学理论24-26
• 1.4 提高太阳能利用效率、降低成本的若干途径26-34
• 1.4.1 新型光伏器件26-28
• 1.4.2 光伏/光热综合利用28-29
• 1.4.3 太阳能聚光器技术29-34
• 1.5 研究内容与方法34-36
• 第2章 基于光谱分频技术的太阳能光伏/光热综合利用系统36-50
• 2.1 引言36-38
• 2.2 基于光谱分频技术的太阳能光伏/光热综合利用系统38-40
• 2.3 聚光器结构参数设计40-45
• 2.3.1 聚光器结构参数几何关系40-41
• 2.3.2 聚光器结构参数的计算41-42
• 2.3.3 结构参数优化42-45
• 2.4 光学仿真分析45-48
• 2.4.1 热接收器最佳安装高度45-46
• 2.4.2 焦斑能流密度分布46-48
• 本章小结48-50
• 第3章 CPV/T分频利用系统实验研究及光伏电池效率模型50-77
• 3.1 引言50
• 3.2 CPV/T分频利用实验装置50-54
• 3.2.1 太阳能跟踪装置51-52
• 3.2.2 实际聚光系统的光学聚光比52-53
• 3.2.3 聚光焦斑能流均匀性53-54
• 3.3 聚光分频利用系统中的光伏转换54-58
• 3.3.1 光伏电池I-V特性曲线测试系统54-56
• 3.3.2 实验中采用的光伏器件56-58
• 3.4 实验结果及分析58-62
• 3.4.1 全光谱太阳辐射58-60
• 3.4.2 单色光入射辐射60-62
• 3.5 光伏电池的效率模型62-75
• 3.5.1 光伏电池转换效率影响因素分析62-64
• 3.5.2 光伏电池的内部功率损耗64-66
• 3.5.3 聚光光伏的转换效率模型66-75
• 本章小结75-77
• 第4章 中高温热接收器选择性吸收涂层性能分析77-90
• 4.1 引言77-78
• 4.2 太阳能热接收器的热力学模型78-80
• 4.3 不同条件下热接收器性能的热力学分析80-87
• 4.3.1 太阳辐射全光谱集热80-81
• 4.3.2 无热流输出81-82
• 4.3.3 有热流输出82-85
• 4.3.4 太阳能CPV/T分频利用系统中的集热85-87
• 4.4 案例分析：一种实际选择性吸收涂层87-88
• 本章小结88-90
• 第5章 CPV/T分频利用系统光学部件优化及最佳光谱匹配90-108
• 5.1 引言90-91
• 5.2 CPV/T分频利用系统中的能流分配91-93
• 5.3 光学器件的最佳光谱分配及光谱性能优化93-103
• 5.3.1 光伏转换效率94-98
• 5.3.2 光热利用子系统效率98-100
• 5.3.3 热接收器涂层的最佳截止波长100-102
• 5.3.4 最佳分频位置的确定102-103
• 5.4 热力学分析103-106
• 5.4.1 采用不同光伏电池时系统性能103-105
• 5.4.2 CPV和CPV/T分频利用系统的性能比较105-106
• 本章小结106-108
• 第6章 结论与展望108-111
• 6.1 结论与创新点108-110
• 6.1.1 结论108-109
• 6.1.2 创新点109-110
• 6.2 展望110-111
• 参考文献111-123
• 致谢123-124
• 攻读博士学位期间取得的研究成果124
• 学术论文124
• 专利124

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