基于聚光分頻技術(shù)和改進(jìn)型LFR聚光器的光伏-光熱綜合系統(tǒng)研究.pdf

1、太陽(yáng)能是重要的可再生能源，其高效利用已成為重要的研究課題。傳統(tǒng)上，太陽(yáng)能利用方式主要有光伏轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換。這兩種方式均受制于較低的太陽(yáng)能能流密度。采用聚光方式提高太陽(yáng)能的輻射能流密度，光熱利用時(shí)可提高集熱溫度，提高效率;光伏轉(zhuǎn)換時(shí)則可減少光伏電池用量，降低成本。而且聚光電池具有比平板光伏電池更高的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，太陽(yáng)能的聚光利用具有良好的前景。然而某些類型的聚光系統(tǒng)如碟式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)的焦斑能流分布不均，影響光伏電池轉(zhuǎn)換效率。因此研

2、制具有均勻焦斑的低成本、高性能的新型聚光器在聚光光伏應(yīng)用中具有重要意義。聚光光伏發(fā)電的聚光倍數(shù)為數(shù)十至數(shù)百，且由于光伏電池僅能轉(zhuǎn)換特定光譜區(qū)間的太陽(yáng)輻射能，其余譜段的輻射能在電池內(nèi)耗散為廢熱，造成電池嚴(yán)重的熱負(fù)荷。對(duì)于光伏電池廢熱的利用，主要有光伏-熱水系統(tǒng)等傳統(tǒng)型電熱聯(lián)用系統(tǒng)，利用冷卻介質(zhì)對(duì)光伏電池進(jìn)行冷卻，而冷卻流體則被加熱成熱流體以資利用。這種系統(tǒng)提高了太陽(yáng)能的綜合利用效率，但由于冷卻介質(zhì)溫度受限于光伏電池工作溫度，熱利用效率很低

3、。光譜分頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光譜的太陽(yáng)輻射能的分配，因此在聚光光伏利用中可將能高效光伏轉(zhuǎn)換譜段的太陽(yáng)輻射輸送至光伏電池，將其余譜段的太陽(yáng)輻射能集熱回收。光譜分頻技術(shù)不僅從源頭上降低了光伏電池的熱負(fù)荷，還實(shí)現(xiàn)光伏轉(zhuǎn)換過程與光熱轉(zhuǎn)換過程的相互獨(dú)立，使得熱利用系統(tǒng)可獲取比傳統(tǒng)電熱聯(lián)用系統(tǒng)更高的集熱溫度。本文在傳統(tǒng)線性菲涅爾聚光器的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的聚光器，在此聚光器平臺(tái)上構(gòu)建了一種基于光譜分頻技術(shù)的新型聚光光伏/光熱綜合利用系統(tǒng)，并圍繞

4、這一新型電熱聯(lián)用系統(tǒng)展開理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先，提出了一種集光平板傾斜布置的改進(jìn)型線性菲涅爾反射式(LFR)聚光器設(shè)計(jì)方案。以此聚光器為平臺(tái)，提出了一種基于光譜分頻技術(shù)的新型太陽(yáng)能聚光光伏/光熱綜合利用系統(tǒng)方案。描述了該聚光分頻利用系統(tǒng)中各部件之間的幾何關(guān)系，并以幾何聚光比和面積利用率為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。在考慮主要光學(xué)誤差的前提下，利用光學(xué)仿真軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)仿真。仿真結(jié)果顯示焦斑位置能流密

5、度分布均勻，適于光伏電池使用;且在未使用再反射鏡時(shí)熱接收器已可收集約86％的光譜分頻器反射能流。
　　其次，以優(yōu)化計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建了上述改進(jìn)型LFR聚光器，并在此聚光器上搭建了太陽(yáng)能聚光光伏/光熱綜合利用的實(shí)驗(yàn)裝置。利用CCD測(cè)試法對(duì)實(shí)際聚光器的焦斑能流分布進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與光學(xué)仿真結(jié)果一致。利用該實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試了單晶硅電池和砷化鎵電池在不同聚光倍數(shù)的全光譜太陽(yáng)輻射下的I-V特性曲線，分析了各光伏電池性能的優(yōu)劣。同時(shí)還測(cè)

6、試了等光強(qiáng)的不同單色光光照條件下單晶硅電池的I-V曲線。根據(jù)曲線特征，得出在高輻照能流密度下，光伏電池的開路電壓同低輻照能流密度下相似，具有微弱的光譜依賴特性。對(duì)影響光伏電池轉(zhuǎn)換效率的內(nèi)外部各因素展開深入分析，描述了光伏電池在單純聚光以及聚光分頻兩種工作條件下的開路電壓、短路電流以及填充因子三要素的表達(dá)式，根據(jù)轉(zhuǎn)換效率的定義式即可計(jì)算出相應(yīng)條件下光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)還構(gòu)建了聚光條件下光伏電池的轉(zhuǎn)換效率模型，并檢驗(yàn)了該模型的可靠性。根

7、據(jù)效率模型，分析了光伏電池聚光利用時(shí)存在最大轉(zhuǎn)換效率并對(duì)應(yīng)最佳聚光倍數(shù)。
　　再次，建立了中高溫太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)性能分析模型。對(duì)黑體表面和不同截止波長(zhǎng)的理想選擇性吸收表面的熱接收器進(jìn)行熱力學(xué)分析，得出中高溫太陽(yáng)能光熱利用效率與熱接收器表面性質(zhì)、入射能流密度及集熱溫度的關(guān)系。分析了傳統(tǒng)的單純聚光光熱利用系統(tǒng)和采用聚光分頻系統(tǒng)中的熱接收器表面涂層的特性，確定了這兩類系統(tǒng)中熱接收器的最佳工作溫度、系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換效率與入射能流密度之間的關(guān)系

8、。數(shù)值計(jì)算表明，單純聚光光熱利用系統(tǒng)中的中高溫?zé)峤邮掌鞯淖罴呀刂共ㄩL(zhǎng)為1.6～2.0μm;而采用硅電池或砷化鎵電池的聚光分頻系統(tǒng)中的熱接收器選擇性吸收涂層的最佳截止波長(zhǎng)為2.2～2.6μm。同時(shí)給出了對(duì)帶有實(shí)際選擇性吸收涂層的熱接收器的最佳工作溫度及對(duì)應(yīng)的最大效率的分析計(jì)算方法。
　　最后，針對(duì)聚光分頻系統(tǒng)，提出通過比較光伏電池的光譜轉(zhuǎn)換效率和設(shè)定工作溫度下熱利用子系統(tǒng)的最大效率的大小，來確定太陽(yáng)光譜最佳分頻位置。計(jì)算了采用不同光