線性菲涅耳反射太陽能聚光器的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，人類賴以生存發(fā)展的化石能源面臨著嚴(yán)重的需要解決的問題:首先是全球已探明的化石能源儲(chǔ)存量有限，不可再生能源很快將會(huì)消耗殆盡;其次，化石能源的消耗帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，如溫室效應(yīng)、大氣污染等。因此，開發(fā)和利用可再生能源十分必要和緊迫。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，近年來受到了越來越多的重視。但太陽能輻射能流密度較低，制約了其應(yīng)用。開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的低成本、高效率、高穩(wěn)定性的太陽能聚光器，是提高太陽能輻射能流密度最有

2、效的途徑，能夠進(jìn)一步促進(jìn)太陽能的廣泛應(yīng)用。而傳統(tǒng)聚光器，如槽式、碟式和塔式太陽能聚光器，在加工、安裝維護(hù)，或聚光能流密度均勻性等方面均存在一定的缺點(diǎn)。因此，本文在傳統(tǒng)聚光器的基礎(chǔ)上，提出了一種新型線性菲涅耳反射太陽能聚光器，一種分頻聚光光伏光熱綜合利用系統(tǒng)，以及一種分段槽式太陽能聚光系統(tǒng)，并依托國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)計(jì)劃(NO:2010CB227305)，中科院太陽能行動(dòng)計(jì)劃(No.CX2090130012)，開展了相關(guān)理論

3、和實(shí)驗(yàn)研究。
　　 首先，提出了新型線性菲涅耳玻璃鏡面反射聚光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理。該系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分，反射玻璃鏡面、平板框架以及聚光接收體。條形玻璃鏡面的寬度和傾斜角度隨自身所處位置、聚光接受體形狀尺寸和安放角度以及是否考慮太陽入射光立體角影響等因素確定，并給出了無量綱理論公式。數(shù)值分析表明系統(tǒng)理論聚光比、面積利用率主要與聚光接收體的安裝高度和鑲嵌玻璃鏡面的平板框架尺寸有關(guān);聚光接收器為平板型時(shí)，其安裝角度對(duì)理論聚光比和面積利

4、用率的影響不大;為圓柱體時(shí)，理論聚光比與反射鏡面數(shù)基本成線性規(guī)律，面積利用率與無量綱跨度與接收器高度的比值μ/ξ有關(guān)。因玻璃鏡面安裝彼此之間存有間隙，可大大降低風(fēng)阻;由于采用平面玻璃鏡反射太陽輻射，在焦平面位置可以得到均勻分布的能流密度，提高光伏電池效率。
　　 其次，建立了線性菲涅耳玻璃鏡面反射聚光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。用CCD法對(duì)聚光光強(qiáng)分布進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明其分布均勻，與理論分析計(jì)算結(jié)果一致。采用單晶硅電池進(jìn)行了聚光光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)，

5、效率可以達(dá)到15.9％，具有較高的發(fā)電效率。過對(duì)單管集熱器、雙管集熱器以及雙管加扭轉(zhuǎn)葉片集熱器進(jìn)行了聚光集熱實(shí)驗(yàn)，分析了東西向線聚焦系統(tǒng)端頭效應(yīng)對(duì)集熱的影響。結(jié)果表明集熱溫度在120℃以下時(shí)，該聚光系統(tǒng)的總體集熱效率可以達(dá)到0.74左右，并且由于輻射熱損的影響集熱效率隨集熱溫度的上升而減小。
　　 再次，在線性菲涅耳聚光反射太陽能聚光器的基礎(chǔ)上，提出了一種聚光分頻光伏光熱綜合利用系統(tǒng)。其中分頻器選用SiO2和Nb2O3作為高低折

6、射率材料，使用Needle法針對(duì)單晶硅電池特性對(duì)其膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示，約80％的有利于單晶硅電池發(fā)電的光譜輻射(波長(zhǎng)范圍0.35μm＜λ≤1.1μm)可以透過涂層照射到電池表面，約71％不利于單晶硅電池發(fā)電的光譜輻射(1.1μm＜λ≤3μm)被反射到了集熱管上。從而大大降低了太陽電池的廢熱負(fù)荷。理論分析結(jié)果顯示，對(duì)于單晶硅光伏電池寬度100mm，安放高度2000mm，角度36°，聚光器理論聚光比56.8的聚光分頻系統(tǒng)，單晶

7、硅光伏電池發(fā)電效率可達(dá)11.99％，同時(shí)集熱部分可以獨(dú)立獲得1511.4W/m的中高溫?zé)崮堋?br>　　 最后，提出了一種新型的分段式槽式太陽能聚光器，通過在平面框架上放置同焦線的多塊拋物面反射鏡面，將光線聚集于焦線處，使用平板型集熱器或圓柱型集熱器作為接收體，用于太陽能聚光光熱利用。該聚光器由于采用分段式的拋物反射鏡，因此相比傳統(tǒng)槽式聚光器具有較小的風(fēng)阻，較低的鏡面高度，并同時(shí)能夠達(dá)到較高的聚光倍數(shù)。根據(jù)幾何光學(xué)原理給出了確定每塊拋