使用多層光學(xué)介質(zhì)薄膜濾光的聚光太陽能發(fā)電技術(shù)的理論與實驗研究

【摘要】：地球表面接受的太陽能輻射具有能流密度低、光譜分布范圍寬的特點。使用聚光器匯集太陽能；針對不同波長段的太陽輻射能量,分別利用相應(yīng)的匹配性好、性能突出的多種太陽能發(fā)電元件轉(zhuǎn)化能量,可以獲得比傳統(tǒng)的單一利用方法更好的效果。 本文以發(fā)展較成熟的晶體硅太陽光伏電池做為主要發(fā)電部件,探索其與溫差發(fā)電元件以及斯特林發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建聚光分頻聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),更全面地利用太陽輻射全波段能量的方法。根據(jù)典型的硅電池特性及與其聯(lián)合使用的不同發(fā)電元件性能,展開了對應(yīng)的介質(zhì)多層薄膜濾光器研究。 首先,介紹了地球接受的太陽輻射的特點,以及中國太陽能資源分布的情況；闡述了根據(jù)不同地域條件、氣象情況,結(jié)合太陽輻射寬頻、低能流密度和不穩(wěn)定等特點合理利用太陽能的必要性,交代了全文工作的研究背景。介紹了主要的太陽能發(fā)電方式及其發(fā)展現(xiàn)狀；綜述了從太陽光譜特征入手優(yōu)化太陽能發(fā)電效果的主要手段；分析了基于太陽能利用的主要分頻技術(shù)及其發(fā)展情況。根據(jù)文獻(xiàn)綜述情況,制定了使用光學(xué)介質(zhì)薄膜對太陽入射光分頻,利用以硅電池為主的多種發(fā)電方式聯(lián)合使用入射太陽輻射能量的方案。同時,提出了本文的主體結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容。 介紹了光學(xué)薄膜設(shè)計的基礎(chǔ)理論,根據(jù)電磁波理論分析了入射太陽光波與薄膜系統(tǒng)相互作用的情況。研究了薄膜主要物理參數(shù)如：膜料性能、薄膜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征等與濾光薄膜系統(tǒng)的光學(xué)性能間的關(guān)系。通過比較薄膜設(shè)計的兩種方法：經(jīng)典解析解法和計算機輔助的數(shù)值解法,確定了將兩者相結(jié)合聯(lián)合使用,設(shè)計本文需要的濾光器。 根據(jù)典型溫差發(fā)電元件與碟式斯特林系統(tǒng)的性能參數(shù),以及硅電池的發(fā)電性能計算結(jié)果,確定了三種不同濾光薄膜系統(tǒng)的設(shè)計要求。選用了鍍膜加工過程中性能穩(wěn)定的介質(zhì)材料作為設(shè)計原料。根據(jù)設(shè)計目標(biāo),利用解析解法計算了每一類濾光器的初始設(shè)計方案。使用針形數(shù)值方法優(yōu)化了初始解的薄膜結(jié)構(gòu),獲得了滿足要求的三套設(shè)計結(jié)果。采用電子束加熱蒸發(fā)的鍍膜手段,制作了其中兩種方案的濾光片樣品,檢測其光學(xué)性能很好地實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。 在室外利用自然太陽光條件,實驗測試了多種硅電池使用不同濾光片樣品在各種聚光條件下的發(fā)電效果。濾光器的使用可以明顯改善電池短路電流與最大輸出功率兩種主要電輸出性能參數(shù)隨入射能量增加的變化情況,讓硅電池的實際工作效率與整體發(fā)電效率相比不使用濾光片的情況得到優(yōu)化。 建立了針對光伏-溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)與光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)合利用系統(tǒng)的分析模型。根據(jù)光學(xué)濾光片的設(shè)計結(jié)果,使用標(biāo)準(zhǔn)直射輻射入射光譜,計算了3種不同硅電池作為光伏元件的光伏-溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在非聚光條件下的發(fā)電效率,分析了濾光器帶來的發(fā)電效果變化情況；計算了使用聚光硅電池作為光伏端的光伏-溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)與光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)合利用系統(tǒng)在不同聚光倍數(shù)下的系統(tǒng)發(fā)電效果,比較分析了聚光分頻聯(lián)用方案與單一元件發(fā)電系統(tǒng)的差異。證明了光伏-溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以在更高聚光倍數(shù)的條件下,利用相對更少的光伏材料獲得比普通聚光光伏系統(tǒng)更多的電能。證明了光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)合利用系統(tǒng)可以獲得比普通碟式斯特林系統(tǒng)更高的發(fā)電效率,以及更長的日平均發(fā)電時數(shù)；同時可以獲得比普通的聚光光伏系統(tǒng)更好的發(fā)電效率、更高的聚光比范圍以及在入射能量條件自然變化時提供更穩(wěn)定的發(fā)電效果。 采用SMARTS太陽光譜分析模型計算了杭州典型氣象條件下不同時間點接受的直射輻射光譜情況。利用計算結(jié)果作為入射光源的光譜,分析了聚光光伏系統(tǒng)、光伏-溫差發(fā)電聯(lián)用系統(tǒng)、碟式聚光斯特林發(fā)電系統(tǒng)、光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)用系統(tǒng)的發(fā)電效率,隨不同時間點入射輻射光譜變化的改變情況；比較了幾種系統(tǒng)的性能差異,分析了分頻方法可能帶來的系統(tǒng)效率提升。 【關(guān)鍵詞】：太陽能發(fā)電 光學(xué)多層薄膜 截止濾光片 干涉 光伏電池 碟式斯特林系統(tǒng) 太陽直射輻射光譜
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TK519
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-15
• 圖索引15-20
• 表索引20-22
• 1 緒論22-53
• 1.1 太陽能資源23-27
• 1.1.1 地表太陽輻射23-24
• 1.1.2 中國太陽能資源24-27
• 1.2 主要太陽能發(fā)電方式27-33
• 1.2.1 太陽能光伏系統(tǒng)27-29
• 1.2.2 聚光太陽能熱發(fā)電29-32
• 1.2.3 太陽能溫差發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電32-33
• 1.3 針對太陽光譜特性優(yōu)化太陽能發(fā)電效率的方式33-44
• 1.3.1 使用二次輻射源調(diào)節(jié)光譜33-35
• 1.3.1.1 熱光伏系統(tǒng)(TPV)34-35
• 1.3.1.2 熒光太陽聚光器(LSC)35
• 1.3.2 層疊布置多種設(shè)備寬頻利用太陽能35-38
• 1.3.2.1 層疊式多節(jié)太陽電池36-38
• 1.3.2.2 PVT系統(tǒng)38
• 1.3.3 采用分頻技術(shù)的分布式寬頻太陽能發(fā)電38-43
• 1.3.3.1 光伏分頻系統(tǒng)39-41
• 1.3.3.2 光伏/光熱聯(lián)用分頻系統(tǒng)41-42
• 1.3.3.3 采用濾光器的其他分頻利用系統(tǒng)42-43
• 1.3.4 高溫太陽光譜選擇性吸收技術(shù)43-44
• 1.4 基于太陽能利用的分頻技術(shù)發(fā)展情況44-51
• 1.4.1 全息濾光44-45
• 1.4.2 液體濾光45-47
• 1.4.3 光譜選擇干涉濾光薄膜47-51
• 1.4.3.1 干涉截止濾光片(The multilayer bandstop filter)48-50
• 1.4.3.2 皺褶濾光片(The Rugate filter)50-51
• 1.5 本文主體結(jié)構(gòu)與研究內(nèi)容51-53
• 2 光學(xué)薄膜基礎(chǔ)理論及多層薄膜濾光器基本結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究53-89
• 2.1 光學(xué)薄膜基礎(chǔ)理論53-61
• 2.1.1 單層平面電磁波53-56
• 2.1.2 單層膜的干涉56-59
• 2.1.3 多層膜的干涉59-61
• 2.2 光學(xué)薄膜系統(tǒng)的主要設(shè)計方法61-65
• 2.2.1 計算機輔助設(shè)計61-63
• 2.2.2 經(jīng)典解析解法與數(shù)值解法的比較63-64
• 2.2.3 本文中濾光器的設(shè)計思路64-65
• 2.3 多層薄膜濾光器基本結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能影響因素的研究65-88
• 2.3.1 薄膜材料的選擇65-68
• 2.3.2 基本周期膜系及其性能考察68-74
• 2.3.3 高反帶(截止區(qū))的拓寬74-82
• 2.3.4 通帶波紋的壓縮82-85
• 2.3.5 偏振效應(yīng)的影響85-88
• 2.4 本章小結(jié)88-89
• 3 適用于聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光學(xué)多層薄膜濾光器的研制89-120
• 3.1 聚光分頻光伏光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)89-97
• 3.1.1 系統(tǒng)組成89-91
• 3.1.2 光伏端的特性91-94
• 3.1.3 TEG端特性94-95
• 3.1.4 Stirling端特性95-97
• 3.2 分頻策略97-101
• 3.3 濾光器基礎(chǔ)膜系的設(shè)計101-108
• 3.3.1 初始膜系的解析法設(shè)計101-104
• 3.3.2 Filter-A的設(shè)計104-106
• 3.3.3 Filter-B1的設(shè)計106-107
• 3.3.4 Filter-B2的設(shè)計107-108
• 3.4 濾光器基礎(chǔ)設(shè)計方案的數(shù)值優(yōu)化108-112
• 3.4.1 Filter-A設(shè)計方案的優(yōu)化結(jié)果109-110
• 3.4.2 Filter-B1設(shè)計方案的優(yōu)化結(jié)果110-111
• 3.4.3 Filter-B2設(shè)計方案的優(yōu)化結(jié)果111-112
• 3.5 制備112-118
• 3.5.1 電子束加熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)簡介112-113
• 3.5.2 薄膜加工與樣品測試113-118
• 3.6 本章小結(jié)118-120
• 4 PV-TEG聚光分頻聯(lián)用系統(tǒng)的性能實驗與模型分析120-156
• 4.1 實驗系統(tǒng)120-129
• 4.1.1 系統(tǒng)組成與主要測試工具120-124
• 4.1.2 聚光器124-125
• 4.1.3 濾光器125-126
• 4.1.4 光伏電池126-127
• 4.1.5 溫差元件127-129
• 4.2 光伏電池聚光性能與聚光分頻性能比較129-145
• 4.2.1 CCRS-C50電池實驗結(jié)果分析129-138
• 4.2.1.1 短路電流Isc130-131
• 4.2.1.2 開路電壓U_(oc)131-132
• 4.2.1.3 最大功率P_m132-133
• 4.2.1.4 填充因子FF133-134
• 4.2.1.5 發(fā)電效率134-138
• 4.2.2 Si-N電池實驗結(jié)果分析138-145
• 4.2.2.1 短路電流I_(sc)140
• 4.2.2.2 開路電壓U_(oc)140-142
• 4.2.2.3 最大功率P_m142
• 4.2.2.4 填充因子FF142-143
• 4.2.2.5 發(fā)電效率143-145
• 4.3 PV-TEG分頻聯(lián)用系統(tǒng)模型分析145-155
• 4.3.1 普通晶體硅電池146-147
• 4.3.2 聚光利用硅電池147-153
• 4.3.3 計算結(jié)果與性能分析153-155
• 4.4 本章小結(jié)155-156
• 5 PV-DS聚光分頻聯(lián)用系統(tǒng)的性能實驗與模型分析156-175
• 5.1 使用FILTER-B1的硅電池性能實驗156-165
• 5.1.1 實驗系統(tǒng)介紹156-157
• 5.1.2 濾光片性能157-158
• 5.1.3 單晶硅電池性能測試結(jié)果與分析158-165
• 5.1.3.1 短路電流I_(sc)158-159
• 5.1.3.2 開路電壓U_(oc)159-160
• 5.1.3.3 最大功率P_m160-161
• 5.1.3.4 填充因子FF161-162
• 5.1.3.5 發(fā)電效率162-165
• 5.2 使用FILTER-B1的PV-DS系統(tǒng)性能分析165-174
• 5.2.1 聚光器165-166
• 5.2.2 PV工作性能分析模型166
• 5.2.3 DS模型166-171
• 5.2.4 計算結(jié)果與系統(tǒng)性能分析171-174
• 5.3 本章小結(jié)174-175
• 6 太陽直射輻射光譜變化對聚光發(fā)電系統(tǒng)性能影響的研究175-184
• 6.1 太陽輻射光譜模型175-180
• 6.1.1 SMARTS光譜分析模型及其分析參數(shù)設(shè)置175-176
• 6.1.2 本地太陽輻射光譜計算結(jié)果176-180
• 6.2 太陽能發(fā)電系統(tǒng)性能分析180-183
• 6.2.1 Ⅱ-3B聚光發(fā)電系統(tǒng)(CPV)180-181
• 6.2.2 使用Filter-A的PV-TEG聯(lián)用發(fā)電系統(tǒng)181
• 6.2.3 碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)181
• 6.2.4 使用Filter-B1的PV-DS聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)181-182
• 6.2.5 各系統(tǒng)發(fā)電效率計算結(jié)果182-183
• 6.3 本章小結(jié)183-184
• 7 全文總結(jié)與工作展望184-189
• 7.1 內(nèi)容總結(jié)184-187
• 7.2 主要創(chuàng)新點187-188
• 7.3 未來工作展望188-189
• 參考文獻(xiàn)189-201
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文201-203
• 作者簡介203-204
• 致謝204-205

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