反射聚光利用太陽(yáng)能的基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】： 利用太陽(yáng)能高效率低成本發(fā)電是當(dāng)前重要研究課題。聚光系統(tǒng)可極大地減少昂貴的光伏電池使用量,降低成本。而采用分頻技術(shù)則將可用于光電轉(zhuǎn)換頻段的太陽(yáng)能投射到光伏電池上,減小光伏電池散熱負(fù)荷,提高效率,同時(shí)把其余波段集熱回收,從而進(jìn)一步提高太陽(yáng)能的綜合利用效率。因此本文重點(diǎn)對(duì)幾種太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)的聚光性能進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究分析,并探討分頻器光學(xué)特性對(duì)性能的影響。 首先以光譜輻射熱力學(xué)理論為基礎(chǔ),對(duì)分頻利用太陽(yáng)能方法進(jìn)行了分析。提出兩級(jí)反射聚光分頻光伏發(fā)電和光熱利用的兩種方案,采用無(wú)量綱分析方法推導(dǎo)了二次反射聚光分頻槽式系統(tǒng)幾何聚光比的解析計(jì)算式。根據(jù)光學(xué)薄膜的基本原理,使用Needle方法設(shè)計(jì)了在兩級(jí)聚光分頻系統(tǒng)中使用的低通高反截止膜分頻器,高低折射率材料分別選用五氧化二鈮和二氧化硅,使用磁控濺射進(jìn)行了鍍膜,實(shí)驗(yàn)測(cè)得垂直入射時(shí)硅電池有效頻段的反射率高于95%。采用光線追蹤法建立了能流密度分布的光學(xué)計(jì)算模型,推導(dǎo)了考慮分頻作用的局部能流密度分布的計(jì)算公式。模型考慮了太陽(yáng)形狀的影響,能夠?qū)Π惭b誤差、表面坡度等光學(xué)誤差進(jìn)行分析,并對(duì)跟蹤系統(tǒng)誤差進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)所提出的Buie CSR 6的年平均太陽(yáng)形狀模型進(jìn)行了計(jì)算,得到了二次反射聚光分頻槽式及碟式系統(tǒng)的分頻器、接收器、光伏電池等入射表面上的能流密度分布。由于二次反射存在遮擋使得分頻器及熱接收器中心能流密度較低,而光伏接受面呈中間高兩邊低的分布,采用再次反射聚光可以得到均勻的能流密度。同時(shí)計(jì)算表明分頻器安裝誤差對(duì)熱接受器能流密度分布影響較小,而對(duì)光伏接受面的光強(qiáng)分布有較大影響。 自行設(shè)計(jì)了雙軸調(diào)節(jié)太陽(yáng)跟蹤裝置,其特征在于通過(guò)南北向布置的赤經(jīng)軸按時(shí)鐘角速度轉(zhuǎn)動(dòng),同步帶動(dòng)一個(gè)掛在赤經(jīng)軸兩端的內(nèi)框轉(zhuǎn)動(dòng),在內(nèi)框的東西框邊的赤緯軸上安裝有接收面支架,由手動(dòng)螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)接收面支架的平面與赤經(jīng)轉(zhuǎn)軸的夾角每天等于赤緯度。跟蹤時(shí)限從早7點(diǎn)到下午5點(diǎn),受光面為10 m~2,驅(qū)動(dòng)器功率12 W,該裝置可安裝四碟式聚光器、半拋物槽和菲涅爾聚光器,其控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,跟蹤精度高,成本低廉,很有應(yīng)用前景。 提出了半槽式反射聚光系統(tǒng),該系統(tǒng)可避免接收器遮擋,實(shí)現(xiàn)高倍聚光,并且抗風(fēng)性能好。建立了考慮太陽(yáng)光不平行度影響的光學(xué)模型,研究了幾何集中比與聚光鏡相對(duì)口徑和光電池安裝位置的關(guān)系,給出了不同開(kāi)口下光伏表面能流密度分布最均勻的電池傾角。對(duì)半槽式反射系統(tǒng)的能流密度分布及聚光光伏性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用CCD法得到了能流密度的相對(duì)分布并用熱流計(jì)標(biāo)定出能流密度分布。進(jìn)行了光伏組件聚光發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了一種以二氧化鈦和二氧化硅分別作為高低折射率膜料的分頻器,透射全部的可見(jiàn)光及近紅外小部分而反射其余輻射光線,理論分析了采用分頻技術(shù)對(duì)電池溫度分布及系統(tǒng)效率影響,計(jì)算結(jié)果表明采用分頻可以降低電池溫度提高聚光系統(tǒng)的聚光比以及光電轉(zhuǎn)換效率。 提出了兩種使用平板玻璃鏡獲得等光強(qiáng)分布的反射聚光設(shè)計(jì)新方法,即等光強(qiáng)半槽式和折平板式反射聚光系統(tǒng)。給出了考慮太陽(yáng)光不平行度影響的等光強(qiáng)半槽式反射聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)公式,得到了均勻的能流密度分布。推導(dǎo)了折平板反射聚光系統(tǒng)的平行光聚光公式,可在給定接收截面寬度、傾角、與第一反射面的距離高度時(shí),計(jì)算出聚光度所需的反射板數(shù),每塊反射板的寬度、傾角及坐標(biāo)位置;建立了實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)折平板聚光系統(tǒng)接收平面能流密度分布進(jìn)行了測(cè)量并進(jìn)行了光伏組件性能實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明折平板玻璃鏡聚光系統(tǒng)可以得到比半槽式系統(tǒng)更為均勻的輻射能流密度,并且系統(tǒng)的發(fā)電效率也較高。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能利用 光伏發(fā)電 反射聚光 光學(xué)分析 分頻技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-20
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 太陽(yáng)能利用的方式15-16
• 1.3 太陽(yáng)能發(fā)電16-18
• 1.4 提高太陽(yáng)能發(fā)電效率和降低成本的幾種途徑18-19
• 1.5 本文的研究思路和任務(wù)19-20
• 第二章 太陽(yáng)能聚光分頻利用的理論基礎(chǔ)20-34
• 2.1 分頻利用太陽(yáng)能研究概述20-22
• 2.2 分頻利用太陽(yáng)能的理論基礎(chǔ)22-25
• 2.2.1 光譜等效溫度23-24
• 2.2.2 光譜有效能24-25
• 2.2.3 太陽(yáng)輻射及其有效能25
• 2.3 幾種太陽(yáng)能分頻利用方案25-32
• 2.3.1 一次聚光分頻系統(tǒng)28
• 2.3.2 兩級(jí)反射聚光分頻系統(tǒng)28-32
• 2.4 熱力效率分析及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的實(shí)例計(jì)算32-33
• 2.5 本章小結(jié)33-34
• 第三章 兩級(jí)反射聚光分頻太陽(yáng)能利用系統(tǒng)34-82
• 3.1 前言34
• 3.2 分頻器的設(shè)計(jì)34-38
• 3.2.1 Needle方法34-35
• 3.2.2 評(píng)價(jià)函數(shù)35-36
• 3.2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果36
• 3.2.4 能流密度光譜分布36-38
• 3.3 二次反射聚光分頻槽式系統(tǒng)38-65
• 3.3.1 基本方程39-41
• 3.3.2 太陽(yáng)影像及幾何聚光比41-46
• 3.3.3 三維光學(xué)計(jì)算模型46-52
• 3.3.4 能流密度空間分布52-57
• 3.3.5 安裝及跟蹤誤差57-62
• 3.3.6 能流密度均勻性的優(yōu)化設(shè)計(jì)62-65
• 3.4 二次反射聚光分頻碟式系統(tǒng)65-79
• 3.4.1 數(shù)學(xué)模型65-68
• 3.4.2 光線跟蹤68-70
• 3.4.3 幾何聚光比70-71
• 3.4.4 局部能流密度分布71-74
• 3.4.5 跟蹤誤差的影響74-75
• 3.4.6 光學(xué)誤差的影響75-79
• 3.5 本章小結(jié)79-82
• 第四章 太陽(yáng)能跟蹤器設(shè)計(jì)82-90
• 4.1 前言82-83
• 4.2 單軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)83-85
• 4.2.1 東西水平式單軸跟蹤83
• 4.2.2 南北水平式單軸跟蹤83-85
• 4.3 雙軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)85-89
• 4.3.1 赤經(jīng)-赤緯跟蹤裝置的研制85-88
• 4.3.2 赤經(jīng)-赤緯雙軸跟蹤裝置的控制88-89
• 4.4 本章小結(jié)89-90
• 第五章 半拋物槽式反射聚光系統(tǒng)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究90-118
• 5.1 前言90
• 5.2 半拋物面反射聚光系統(tǒng)分析90-96
• 5.2.1 基本方程91
• 5.2.2 太陽(yáng)影像計(jì)算91-93
• 5.2.3 幾何聚光比93-94
• 5.2.4 能流密度的空間分布94-96
• 5.3 能流密度分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量96-102
• 5.3.1 測(cè)試裝置96-98
• 5.3.2 結(jié)果分析98-102
• 5.4 光伏實(shí)驗(yàn)研究102-110
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)裝置102
• 5.4.2 單體電池實(shí)驗(yàn)102-107
• 5.4.3 組件性能實(shí)驗(yàn)107
• 5.4.4 能流密度均勻性的影響107-110
• 5.5 拋物面反射系統(tǒng)采用分頻技術(shù)的理論分析110-116
• 5.5.1 短波通寬帶分頻器110
• 5.5.2 分頻損失最小的電池傾角110-111
• 5.5.3 能流密度的分布111-113
• 5.5.4 光熱模型113-114
• 5.5.5 光電模型114-116
• 5.6 本章小節(jié)116-118
• 第六章 等光強(qiáng)分布平板反射聚光方案的理論與實(shí)驗(yàn)研究118-128
• 6.1 等光強(qiáng)聚光問(wèn)題的提出118
• 6.2 半拋物槽式等光強(qiáng)平面鏡反射聚光系統(tǒng)118-121
• 6.2.1 模型分析118-120
• 6.2.2 局部能流密度120-121
• 6.3 折平板等光強(qiáng)反射聚光系統(tǒng)121-127
• 6.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析121-124
• 6.3.2 聚光光伏性能實(shí)驗(yàn)研究124-127
• 6.4 本章小結(jié)127-128
• 第七章 結(jié)論與展望128-132
• 7.1 結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)128-130
• 7.1.1 結(jié)論128-129
• 7.1.2 創(chuàng)新點(diǎn)129-130
• 7.2 展望130-132
• 參考文獻(xiàn)132-142
• 致謝142-144
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄144-145

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太陽(yáng)能明托熱機(jī)的理論和實(shí)驗(yàn)研究    侯景鑫

太陽(yáng)能多碟聚光系統(tǒng)聚集特性及吸熱器光熱力特性    王富強(qiáng)

線性菲涅耳反射太陽(yáng)能聚光器的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究    張謙

基于碟式的太陽(yáng)能二次反射及其分頻系統(tǒng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究    張艷梅

面陣CCD圖像傳感器不均勻性的校正    李華,薛建國(guó)

太陽(yáng)能分頻利用電熱聯(lián)產(chǎn)初步研究    陳則韶;莫松平;李志宏;江守利;江斌;王海千;盧保羅;

二次反射聚光分頻光伏系統(tǒng)的光學(xué)分析    江守利;陳則韶;胡芃;莫松平;陳建新;

光伏發(fā)電的前景和問(wèn)題    王斯成

旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器焦面能流分布的有限元分析    劉穎;戴景民;郎治國(guó);辛春鎖;

新型菲涅爾線聚光太陽(yáng)電池組件特性分析    汪韜,李曉婷,李寶霞,賽小鋒,高鴻楷

水源熱泵系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行控制研究    薛志方;史琳;

一種直熱式冷暖空調(diào)熱水三用機(jī)的研究    樊高定;江斌;陳則韶;金從卓;李志宏;毛文斌;賈磊;葛惠珍;葛躍明;許文增;

聚光與冷卻條件下常規(guī)太陽(yáng)電池的特性    吳玉庭,朱宏曄,任建勛,梁新剛

我國(guó)的大氣透明度及其計(jì)算    王炳忠,潘根娣

二次反射直角棱鏡計(jì)算    顧培森;

多處缺陷樁檢測(cè)判定分析    宋福偉;潘晨陽(yáng);牛秀義;

深度二次反射曲面空間光線計(jì)算    顧培森;胡曉鳴;張嬡芬;

應(yīng)力波反射法在基樁檢測(cè)中的應(yīng)用    牛秀義

用近軸近似方法計(jì)算二次反射雜散光    王子余;鐘伯亮;史云飛;

二次反射雜散光計(jì)算的近軸理論    史云飛;

T型焊縫的手動(dòng)超聲波探傷    唐錦榮,馬廣禮,鄧榮燊

創(chuàng)造真實(shí)體驗(yàn) 觸發(fā)無(wú)盡靈感    許延風(fēng);

二次反射聚光分頻光伏系統(tǒng)的光學(xué)分析    江守利;陳則韶;胡芃;莫松平;陳建新;

二次反射聚光分頻光伏系統(tǒng)的三維光學(xué)模型    江守利;陳則韶;胡芃;莫松平;

基于FLUENT的數(shù)值波流水槽及其應(yīng)用    劉樺;王本龍;蘭雅梅;周勤俊;

室內(nèi)多徑失真對(duì)光脈沖的影響    袁縱橫;張靜;朱寶平;

矢量反射系數(shù)測(cè)量中提高測(cè)幅精度的研究    盛衛(wèi)星;方大綱;莊菁;

淺地層剖面儀記錄的判讀    侯菊根;

4～15um寬光譜分光膜的設(shè)計(jì)    趙培;李大琪;劉定權(quán);張鳳山;

一種新的保護(hù)原始數(shù)據(jù)隱私性的聚類算法    王靜;汪曉剛;

曲率半徑對(duì)球面型端面光纖連接的光學(xué)性能影響    王黎蒙;嚴(yán)潤(rùn)生;湯鈞;

淺水長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬計(jì)算    曾一非;

淺地層剖面儀在長(zhǎng)江口航道探測(cè)中的應(yīng)用    高玉崑;

室內(nèi)無(wú)線光通信中多徑失真對(duì)發(fā)射脈沖的影響    張靜;袁縱橫;朱寶平;

設(shè)計(jì)先行，材料更能用到位    本報(bào)記者　　戈曉芳

“三雄·極光”的“中國(guó)名牌”是怎樣煉成的？    呂立祥

如何撥開(kāi)顯示器概念迷霧？    王偉

象天蛾：憑色視覺(jué)黑夜“采花”    記者 林小春

讓光和影帶來(lái)“靈”與“魂”    本報(bào)記者 韓戴男

基于碟式的太陽(yáng)能二次反射及其分頻系統(tǒng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究    張艷梅

反射聚光利用太陽(yáng)能的基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究    江守利

輻射熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究    莫松平

關(guān)于VPB系統(tǒng)的時(shí)間漸進(jìn)性以及自旋—仰角跟蹤模式下定日鏡的若干課題研究    李莉

非球面研制實(shí)錄    胡建軍

若干地形下內(nèi)波傳播及內(nèi)潮生成問(wèn)題的理論解    戴德君

水槽式無(wú)反射規(guī)則波造波機(jī)的控制系統(tǒng)    鄧勇

碟式太陽(yáng)能聚光器二次反射性能研究    莊立強(qiáng)

球形構(gòu)造點(diǎn)聲源反射規(guī)律研究    王鵬

Boussinesq方程模型的數(shù)值造波方法研究    熊志強(qiáng)

水槽無(wú)反射造波理論的研究和應(yīng)用    高杰

兩次反射多平面鏡聚光型太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的探討    張磊

考慮遮蔽效應(yīng)時(shí)粗糙面的多次散射研究    馬東英

中、小型教室聲場(chǎng)環(huán)境研究    楊大恒

造波機(jī)無(wú)反射技術(shù)研究與應(yīng)用    張鵬

超聲波液位遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究    黃勇