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等都使得整個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多集中在聚光電池本身，而對于如何在實際應(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，使得人們無法對聚光電池性能有一個直觀清晰的了解，

3、造成了認識上的模糊或誤解，導(dǎo)致在聚光光伏系統(tǒng)應(yīng)用中因設(shè)計不當(dāng)造成系統(tǒng)發(fā)電效率的損失。論文第二章利用簡化的聚光硅電池模型，對其性能特性進行了數(shù)值模擬計算，得到直觀的性能參數(shù)關(guān)系圖。通過對計算結(jié)果的分析，提出了串聯(lián)電阻的溫度特性對電池效率的影響不可忽視的觀點，并進一步實驗測試了聚光電池的串聯(lián)電阻溫度特性表達式，以此改進了已有的聚光電池性能參數(shù)半經(jīng)驗計算模型。同時，利用該模型計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時獲得最佳光電轉(zhuǎn)換效率所對應(yīng)的聚光率與電池串聯(lián)電阻的擬合關(guān)系式。最后利用實驗數(shù)據(jù)對模型計算結(jié)果進行了驗證。 在此基礎(chǔ)上，論文第三章介紹了在本實驗室所建立的線性聚光光伏系統(tǒng)及有關(guān)實驗研究。利用系統(tǒng)發(fā)電實驗結(jié)果，與所用電池及電池組件的測試結(jié)果進行比對，在進一步對改進的聚光電池計算模型進行驗證的同時，分析了該CPV系統(tǒng)工作狀態(tài)的非理想性及其對系統(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，可以單獨運作，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。特別是研究實際工況下非均勻光強的影響，是多學(xué)科交叉的課題，涉及到多物理場耦合作用問題。由此指出進一步研究CPV系統(tǒng)接收器在實際工作條件

6、下--聚光光強非均勻條件下的性能及影響要素。 第四章研究聚光光強非均勻條件下影響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分布下聚光電池的理論模型，然后利用多物理場耦合數(shù)值計算專業(yè)軟件COMSOLMultiphysics，模擬了不同冷卻器性能時非均勻聚光光強下接收器的工作狀態(tài)和性能。通過對接收器(包括電池以及電池與冷卻器間各連接層)發(fā)電性能、溫度場和熱

7、應(yīng)力應(yīng)變耦合模擬計算，得出了聚光光強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。指出了目前對接收器和冷卻器設(shè)計中的盲點，并給出了接收器和冷卻器優(yōu)化設(shè)計要素。最后對一接收器進行結(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)晶生成體系為對象，通過實驗研究了影響表面活性劑、攪動、納米磁性液體等因素對多元多相體系結(jié)

8、晶生成特性的影響規(guī)律及影響機理，重點研究了納米磁性液體對互不相容的水相與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)電阻的溫度特性對聚光電池效率影響不可忽略的觀點，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分布下、較準(zhǔn)確方便的聚光電池性能計算模型和性能

9、參數(shù)表達式。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，并通過實驗驗證了相關(guān)的理論模型。在此基礎(chǔ)上，重點研究了決定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下的性能以及相互的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了聚光光強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CPV冷卻器設(shè)計的盲點，給出了其優(yōu)化設(shè)計的要素。優(yōu)化實例結(jié)果表明，優(yōu)化后的系統(tǒng)接