聚光光伏系統(tǒng)性能與高效冷卻技術(shù)研究.pdf

1、聚光光伏(CPV)系統(tǒng)利用聚光器將太陽光匯聚在光伏電池上，使得單位產(chǎn)能所需的電池面積得到減少。其目的是通過使用較便宜的聚光部件來代替昂貴的光伏電池，降低光伏系統(tǒng)發(fā)電成本。近年來CPV發(fā)電系統(tǒng)的研究發(fā)展迅速，聚光電池最高效率不斷得到突破(目前III-V族電池最高效率為40.8％)，同時(shí)聚光鏡效率的提高、跟蹤器性能的改善以及散熱裝置的改進(jìn)等都使得整個(gè)CPV系統(tǒng)發(fā)電效率不斷提高，發(fā)電成本不斷降低。CPV技術(shù)已成為最有潛力的、低成本的、大規(guī)模光

2、伏發(fā)電技術(shù)之一。然而，由于CPV系統(tǒng)工作工況的諸多非理想性，使得CPV系統(tǒng)的發(fā)電性能比聚光電池性能低得多。目前人們的研究焦點(diǎn)多集中在聚光電池本身，而對(duì)于如何在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮聚光電池的最佳效率、提高整體系統(tǒng)的發(fā)電水平的相關(guān)研究卻相當(dāng)欠缺。因此，研究聚光電池及聚光系統(tǒng)性能發(fā)揮的影響要素及影響規(guī)律，尋求改善CPV系統(tǒng)發(fā)電效率的途徑顯得迫切而重要。 由于聚光條件下光伏電池理論模型的復(fù)雜性，使得人們無法對(duì)聚光電池性能有一個(gè)直觀清晰的了解，

3、造成了認(rèn)識(shí)上的模糊或誤解，導(dǎo)致在聚光光伏系統(tǒng)應(yīng)用中因設(shè)計(jì)不當(dāng)造成系統(tǒng)發(fā)電效率的損失。論文第二章利用簡(jiǎn)化的聚光硅電池模型，對(duì)其性能特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得到直觀的性能參數(shù)關(guān)系圖。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，提出了串聯(lián)電阻的溫度特性對(duì)電池效率的影響不可忽視的觀點(diǎn)，并進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)測(cè)試了聚光電池的串聯(lián)電阻溫度特性表達(dá)式，以此改進(jìn)了已有的聚光電池性能參數(shù)半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型。同時(shí)，利用該模型計(jì)算得出了影響聚光電池效率的主要因素及其影響規(guī)律，包括：聚光率C、電

4、池工作溫度T、電池串聯(lián)電阻Rs以及串聯(lián)電阻的溫度特性Rs(T)，得到了電池溫度為300K時(shí)獲得最佳光電轉(zhuǎn)換效率所對(duì)應(yīng)的聚光率與電池串聯(lián)電阻的擬合關(guān)系式。最后利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。 在此基礎(chǔ)上，論文第三章介紹了在本實(shí)驗(yàn)室所建立的線性聚光光伏系統(tǒng)及有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。利用系統(tǒng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與所用電池及電池組件的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，在進(jìn)一步對(duì)改進(jìn)的聚光電池計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證的同時(shí)，分析了該CPV系統(tǒng)工作狀態(tài)的非理想性及其對(duì)系統(tǒng)效

5、率下降的影響。這些非理想性包括：冷卻溫度的不均勻性和不穩(wěn)定性、電池溫度的不均勻性和不穩(wěn)定性、陰影遮擋、聚光光強(qiáng)的非均勻性等。聚光系統(tǒng)中聚光器、接收器、冷卻器、跟蹤器是主要重要器件。在這些重要器件中，聚光器和跟蹤器性能不受其他器件的影響，可以單獨(dú)運(yùn)作，而接收器的性能卻收到系統(tǒng)中其他器件的綜合影響，相當(dāng)復(fù)雜。特別是研究實(shí)際工況下非均勻光強(qiáng)的影響，是多學(xué)科交叉的課題，涉及到多物理場(chǎng)耦合作用問題。由此指出進(jìn)一步研究CPV系統(tǒng)接收器在實(shí)際工作條件

6、下--聚光光強(qiáng)非均勻條件下的性能及影響要素。 第四章研究聚光光強(qiáng)非均勻條件下影響CPV系統(tǒng)接收器性能的重要因素。首先提出了“等效聚光率”的概念，建立了線性CPV系統(tǒng)最常用的矩形和高斯分布兩種非均勻光強(qiáng)分布下聚光電池的理論模型，然后利用多物理場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算專業(yè)軟件COMSOLMultiphysics，模擬了不同冷卻器性能時(shí)非均勻聚光光強(qiáng)下接收器的工作狀態(tài)和性能。通過對(duì)接收器(包括電池以及電池與冷卻器間各連接層)發(fā)電性能、溫度場(chǎng)和熱

7、應(yīng)力應(yīng)變耦合模擬計(jì)算，得出了聚光光強(qiáng)非均勻性不僅影響接收器的光電效率，而且影響其安全性和壽命的結(jié)論。指出了目前對(duì)接收器和冷卻器設(shè)計(jì)中的盲點(diǎn)，并給出了接收器和冷卻器優(yōu)化設(shè)計(jì)要素。最后對(duì)一接收器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化。 第五章在分析聚光電池冷卻特性以及以相變介質(zhì)作為CPV系統(tǒng)冷卻介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，以HCFC141b及HCFC142b氣體水合物相變結(jié)晶生成體系為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)研究了影響表面活性劑、攪動(dòng)、納米磁性液體等因素對(duì)多元多相體系結(jié)

8、晶生成特性的影響規(guī)律及影響機(jī)理，重點(diǎn)研究了納米磁性液體對(duì)互不相容的水相與HCFC141b液相間、水相與汽相(水蒸氣與HCFC141b蒸汽)間的質(zhì)量傳遞現(xiàn)象的影響。得出了提高冷卻介質(zhì)相變性能的手段，并提出利用相變介質(zhì)為聚光光伏系統(tǒng)冷卻器的應(yīng)用方式。 綜上所述，本論文首次提出了電池串聯(lián)電阻的溫度特性對(duì)聚光電池效率影響不可忽略的觀點(diǎn)，提出了“等效聚光率”的概念，建立了兩種最常用的非均勻光強(qiáng)分布下、較準(zhǔn)確方便的聚光電池性能計(jì)算模型和性能

9、參數(shù)表達(dá)式。應(yīng)用上述相關(guān)理論，采用數(shù)值模擬的方法研究了聚光電池、聚光電池組件以及CPV系統(tǒng)性能的影響要素和影響規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)的理論模型。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了決定CPV系統(tǒng)性能的重要部件--接收器以及冷卻器在非均勻聚光光強(qiáng)下的性能以及相互的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了聚光光強(qiáng)的非均勻性不僅影響CPV系統(tǒng)的發(fā)電性能，而且影響系統(tǒng)的安全性和壽命，由此指出了目前對(duì)CPV冷卻器設(shè)計(jì)的盲點(diǎn)，給出了其優(yōu)化設(shè)計(jì)的要素。優(yōu)化實(shí)例結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)接