反射聚光利用太陽能的基礎(chǔ)理論與實驗研究.pdf

1、利用太陽能高效率低成本發(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，同時把其余波段集熱回收，從而進(jìn)一步提高太陽能的綜合利用效率。因此本文重點對幾種太陽能聚光系統(tǒng)的聚光性能進(jìn)行理論和實驗研究分析，并探討分頻器光學(xué)特性對性能的影響。 首先以光譜輻射熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對分頻利用太陽能方法進(jìn)行了分析。提出兩級反射聚

2、光分頻光伏發(fā)電和光熱利用的兩種方案，采用無量綱分析方法推導(dǎo)了二次反射聚光分頻槽式系統(tǒng)幾何聚光比的解析計算式。根據(jù)光學(xué)薄膜的基本原理，使用Needle方法設(shè)計了在兩級聚光分頻系統(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，實驗測得垂直入射時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)計算模型，推導(dǎo)了考慮分頻作用的局部能流密度分布的計算公式。模型考慮了太陽形狀

3、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，并對跟蹤系統(tǒng)誤差進(jìn)行評估。根據(jù)所提出的Buie CSR6的年平均太陽形狀模型進(jìn)行了計算，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。同時計算表明分頻器安裝誤差對熱接受器能流密度分布影響較小，而對光伏接受面的光強(qiáng)

4、分布有較大影響。 自行設(shè)計了雙軸調(diào)節(jié)太陽跟蹤裝置，其特征在于通過南北向布置的赤經(jīng)軸按時鐘角速度轉(zhuǎn)動，同步帶動一個掛在赤經(jīng)軸兩端的內(nèi)框轉(zhuǎn)動，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。跟蹤時限從早7點到下午5點，受光面為10㎡，驅(qū)動器功率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)簡單，跟蹤精度高，成本低廉，很有應(yīng)用前景。 提出

5、了半槽式反射聚光系統(tǒng)，該系統(tǒng)可避免接收器遮擋，實現(xiàn)高倍聚光，并且抗風(fēng)性能好。建立了考慮太陽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口徑和光電池安裝位置的關(guān)系，給出了不同開口下光伏表面能流密度分布最均勻的電池傾角。對半槽式反射系統(tǒng)的能流密度分布及聚光光伏性能進(jìn)行了實驗研究。采用CCD法得到了能流密度的相對分布并用熱流計標(biāo)定出能流密度分布。進(jìn)行了光伏組件聚光發(fā)電的實驗研究。設(shè)計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

6、分頻器，透射全部的可見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)對電池溫度分布及系統(tǒng)效率影響，計算結(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