高倍聚光光伏光熱綜合利用系統(tǒng)的理論和實驗研究.pdf

1、太陽能以其清潔、可再生和利用廣泛等特點備受矚目，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)，對反射型和折射型兩種高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)分別進行了強制水冷換熱設(shè)計研究。系統(tǒng)在輸出電能的同時對產(chǎn)生的余熱進行收集利用，在提高光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的同時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)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的實驗測試平臺，通過數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，對不同聚光

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)系等進行了深入的研究。
　　本文的主要研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　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)理論對該聚光器的聚光焦距、采光面積等進行了理論設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，針對其聚光光斑不均勻的缺點，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驗平臺和平面鏡陣列高倍聚光器實驗平臺，并對兩者的聚光能流密度分布進行了實驗研究。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，并對模型中光伏基板、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算方法。結(jié)合光敏跟蹤和視日程序跟蹤方法，設(shè)計并研制了系統(tǒng)所需的雙軸跟蹤系統(tǒng)。
　　搭建了平面鏡陣列HCPV/T系統(tǒng)實驗測試平臺，對系統(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行了實驗測試以及結(jié)果分析。同時深入

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)等對系統(tǒng)熱電性能的影響。實驗結(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22％，熱效率可達47％，光電光熱綜合效率能夠達到70％左右。同時本文還對該平面鏡陣列系統(tǒng)的CPV/T模塊電輸出性能的溫度系數(shù)作了實驗與理論分析。
　　提出了菲涅爾水冷散熱HCPV/T系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)模型進行了理論研究，對其子部件菲涅爾棱鏡的設(shè)計及光學(xué)性能進行了理論分析。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)動態(tài)模型。建立了標準狀態(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)計流程及相關(guān)實現(xiàn)步驟。
　　對傳統(tǒng)菲涅爾高倍發(fā)電陣列系統(tǒng)的光伏設(shè)計及相關(guān)散熱翅片進行了介紹，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)。對菲涅爾聚光發(fā)電系統(tǒng)的水冷模塊進行了試制，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、，同時搭建了系統(tǒng)實驗測試平臺。對比了基于水冷模塊的菲涅爾HCPV/T與基于鋁制翅片風冷型的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75.8％。在整個實驗測試期間HCPV/T模組的平均熱效率可達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，將所測實驗數(shù)據(jù)與理論模擬進行對比分析，同時對系統(tǒng)光伏電池光電轉(zhuǎn)化效率的溫度系數(shù)、不同