Fresnel聚光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在聚光光伏中的應(yīng)用研究.pdf

1、為提高聚光光伏技術(shù)的競爭力，急需進(jìn)一步提高聚光光伏產(chǎn)品的性能，降低發(fā)電成本。目前，國內(nèi)GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)聚光太陽電池的產(chǎn)業(yè)化效率已達(dá)到40％以上，然而聚光光伏模組的效率卻遠(yuǎn)低于聚光電池的效率。分析各種非理想因素的影響，發(fā)現(xiàn)聚光器件是主要的效率損失來源之一。傳統(tǒng)平板型Fresnel聚光器主要基于成像原理和單波長設(shè)計(jì)，聚光效果并不理想，主要體現(xiàn)在:(1)寬光譜內(nèi)的色散導(dǎo)致了嚴(yán)重的截?cái)鄵p失，從而降低了聚光器的聚光效率;(2)存

2、在聚焦光斑空間和光譜分布不均勻的問題，導(dǎo)致GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)電池短路電流、填充因子以及光電轉(zhuǎn)換效率的降低。為充分利用GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)電池的高效率，需要配備性能優(yōu)異的聚光器，從而提高聚光光伏模組的產(chǎn)業(yè)化效率。針對(duì)以上問題，本論文在國家863項(xiàng)目“兆瓦級(jí)高倍聚光化合物太陽電池產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)(2011AA050507)”的支持下，采用理論分析、仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，進(jìn)行了新型Fresnel聚光器的設(shè)

3、計(jì)研發(fā)工作，同時(shí)展開新型Fresnel聚光器在聚光光伏應(yīng)用中的研究，促進(jìn)了聚光光伏模組光電轉(zhuǎn)換效率的提升。具體研究成果如下:
　　1.建立了Fresnel聚光器性能表征參數(shù)的理論計(jì)算模型。引入截?cái)鄵p失的概念，定量分析了Fresnel聚光器的光學(xué)損失，對(duì)影響聚光效率的因素進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析;基于光線追跡法，建立了聚焦光斑均勻性的理論計(jì)算模型。
　　2.優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種適用于GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)太陽電池的高效均勻聚

4、光Fresnel透鏡。綜合考慮AMl.5D太陽光譜、各子電池的光譜響應(yīng)特性及透鏡材料的折射率色散曲線，采用多波長與多焦點(diǎn)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，對(duì)Fresnel透鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于光線追跡法，對(duì)該新型透鏡的聚光性能進(jìn)行評(píng)估，仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的透鏡在300～1800 nm寬光譜范圍內(nèi)以及各子電池光譜響應(yīng)波段內(nèi)的聚光分布均勻度都高于75％，聚光效率均大于80％;
　　3.對(duì)高倍聚光光伏單元進(jìn)行了電性能仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究。以多結(jié)太陽電池

5、的等效電路為基礎(chǔ)，建立了簡化的三維分布式網(wǎng)格電路模型，并通過LTspice+Matlab的方法實(shí)現(xiàn)了非均勻聚光條件下多結(jié)太陽電池I-V特性的仿真分析。將所設(shè)計(jì)的新型Fresnel透鏡與GaInP/GaInAs/Ge多結(jié)太陽電池接收模塊組成高倍聚光光伏單元，基于所建立的三維分布式網(wǎng)格電路模型和光線追跡法，對(duì)高倍聚光光伏單元的電學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的新型Fresnel透鏡聚光光伏單元的光電轉(zhuǎn)換效率為32.4％，比點(diǎn)聚焦

6、Fresnel透鏡聚光光伏單元的轉(zhuǎn)換效率提升了近8％。在仿真研究的基礎(chǔ)之上，搭建了戶外測試平臺(tái)，對(duì)所設(shè)計(jì)Fresnel透鏡的聚光性能和聚光光伏單元的電學(xué)特性進(jìn)行了實(shí)際測試。
　　4.研制出基于新型Fresnel聚光器的聚光光伏模組。通過增加大口徑導(dǎo)光筒裝置，使聚光光伏模組的接收角達(dá)到了1°以上，降低了對(duì)跟蹤器精度的要求，提高了模組的可靠性?；谏岱治龊统杀究紤]，確定了封裝材料以及模組的結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化封裝工藝，控制安裝誤差，制備了