高倍聚光光伏光熱綜合利用系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、太陽能以其清潔、可再生和利用廣泛等特點(diǎn)備受矚目，成為了傳統(tǒng)化石能源的替代能源之一。作為太陽能重要利用形式之一的光伏發(fā)電技術(shù)也已經(jīng)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。而聚光光伏發(fā)電技術(shù)通過采用聚光器提高光伏組件表面的能流密度，可以大幅度減少昂貴光伏電池的面積，是提高系統(tǒng)效率、降低系統(tǒng)發(fā)電成本的有效途徑。
　　針對(duì)聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)能流密度分布不均勻以及光伏組件溫度過高等問題，從提高太陽能利用率及降低系統(tǒng)成本的角度出發(fā)，結(jié)合聚光太陽能光伏發(fā)電技術(shù)

2、和太陽能光電光熱綜合利用的思想，本文提出了高倍聚光光伏光電光熱綜合利用系統(tǒng)，對(duì)反射型和折射型兩種高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)分別進(jìn)行了強(qiáng)制水冷換熱設(shè)計(jì)研究。系統(tǒng)在輸出電能的同時(shí)對(duì)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行收集利用，在提高光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)還能獲得額外的熱能收益，大大提高了系統(tǒng)的太陽能綜合利用效率。對(duì)于兩種不同形式的高倍聚光光伏發(fā)電供熱(HCPV/T)系統(tǒng)，分別建立了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)不同聚光

3、比、不同質(zhì)量流量以及不同環(huán)境參數(shù)條件下系統(tǒng)光伏電池的輸出特性、聚光光斑能流密度分布的均勻性、系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換的耦合關(guān)系等進(jìn)行了深入的研究。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面:
　　建立了旋轉(zhuǎn)拋物面式高倍聚光器的光學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)聚光比及太陽影像等光學(xué)理論對(duì)該聚光器的聚光焦距、采光面積等進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)其聚光光斑不均勻的缺點(diǎn)，分別采用化整為零的思想提出了多碟共焦式高倍聚光器;以及通過平面鏡分

4、段逐步逼近拋物面的方法，提出了平面鏡陣列取代連續(xù)曲面的聚光方式。通過相應(yīng)的理論分析研究，分別搭建了多碟共焦式高倍聚光器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和平面鏡陣列高倍聚光器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)兩者的聚光能流密度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明平面鏡陣列高倍聚光器能從根本上解決聚光不均勻的問題。且系統(tǒng)部件不僅加工安裝難度小、成本低、穩(wěn)定性及抗風(fēng)性能好;而且該系統(tǒng)的聚光比可調(diào)節(jié)，適用于各種聚光比需求的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。
　　結(jié)合平面鏡陣列高倍聚光器和CPV/T模塊，建

5、立HCPV/T系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，研究高熱流密度下光伏電池與基板、基板與換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)模型中光伏基板、換熱器以及內(nèi)部的冷卻水沿水流方向的溫度分布進(jìn)行了理論模擬，給出了系統(tǒng)熱效率、電效率及光電光熱綜合效率的計(jì)算方法。結(jié)合光敏跟蹤和視日程序跟蹤方法，設(shè)計(jì)并研制了系統(tǒng)所需的雙軸跟蹤系統(tǒng)。
　　搭建了平面鏡陣列HCPV/T系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵溫度參數(shù)、熱效率、電效率以及光電光熱綜合效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試以及結(jié)果分析。同時(shí)深入

6、探討了不同聚光比、不同質(zhì)量流量以及不同環(huán)境參數(shù)等對(duì)系統(tǒng)熱電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該HCPV/T系統(tǒng)具有良好的光電光熱性能，光電效率可達(dá)22％，熱效率可達(dá)47％，光電光熱綜合效率能夠達(dá)到70％左右。同時(shí)本文還對(duì)該平面鏡陣列系統(tǒng)的CPV/T模塊電輸出性能的溫度系數(shù)作了實(shí)驗(yàn)與理論分析。
　　提出了菲涅爾水冷散熱HCPV/T系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)模型進(jìn)行了理論研究，對(duì)其子部件菲涅爾棱鏡的設(shè)計(jì)及光學(xué)性能進(jìn)行了理論分析。建立了包含系統(tǒng)熱模型及電

7、模型在內(nèi)的菲涅爾水冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。建立了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的單二極管五參數(shù)模型，討論了五參數(shù)的求解方法，給出了不同溫度及輻照情況下的性能變化方程。提供了較為準(zhǔn)確的賦初值方法，并給出了系統(tǒng)電模型及熱模型的程序設(shè)計(jì)流程及相關(guān)實(shí)現(xiàn)步驟。
　　對(duì)傳統(tǒng)菲涅爾高倍發(fā)電陣列系統(tǒng)的光伏設(shè)計(jì)及相關(guān)散熱翅片進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上提出了菲涅爾水冷散熱高倍聚光發(fā)電供熱系統(tǒng)。對(duì)菲涅爾聚光發(fā)電系統(tǒng)的水冷模塊進(jìn)行了試制，并將其取代常規(guī)的散熱翅片，形成菲涅爾水冷聚光模塊

8、，同時(shí)搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)。對(duì)比了基于水冷模塊的菲涅爾HCPV/T與基于鋁制翅片風(fēng)冷型的HCPV模組的性能。菲涅爾HCPV/T系統(tǒng)的瞬態(tài)熱效率為49.3％，電效率為26.5％，系統(tǒng)的綜合效率將高達(dá)75.8％。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間HCPV/T模組的平均熱效率可達(dá)46.8％。為了更深入地研究菲涅爾HCPV/T系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換、光熱轉(zhuǎn)換及光電光熱復(fù)合利用的性能，將所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率的溫度系數(shù)、不同