聚光光伏理论研究本科毕业论文(编辑修改稿)

聚光光伏理论研究本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

追日系统按机械设计又分为单轴系统和双轴系统， 目前 ,对日跟踪器的设计方案众多 ,形式不拘一格。 点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟踪 ,线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪 [10]。 如图。 图 单轴、双轴跟踪系统示意图 散热及外部设备 由于太阳光汇聚后会在电池表面形成非常高的温度，如果不能及时散热，光电转换效率会下降甚至有可能烧毁电池。 因此电池散热是模组 设计时必须优先考虑的因素之一。 散热器分主动式冷却和被动式冷却 [11]。 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 11 主动式冷却是指用流动的水或其它介质将聚光组件工作时产生的热量带走，以达到冷却太阳电池的目的。 太阳电池方阵产生的热量通过散热器直接散发到大气中，这种散热方式叫被动式冷却。 主动式冷却可以更好地降低太阳电池的温度，但这种方法存在的问题是可靠性，如果冷却系统出现问题，太阳电池组件可能由于过高的温度而烧焦 [12]。 被动式冷却有较高的可靠性，是聚光电池冷却的 首选方式 [13] ，但由于大规模应用和高聚光率产生的高能流密度的情况，则应考虑使用主动式冷却。 聚光太阳电池的散热是很重要的，这是因为同时要考虑好的导热性能和好的绝缘性能。 被动式散热有很多种形式，散热片的设计是散热片的成本和所产生电量之间的折衷。 Entech公司所制造的聚光系统中采用被动散热 [14] ，翅片厚度从根部到尖端逐渐变细，为放射状排列，翅片所提供的散热面积为组件截光面积的 4倍，这样即使在风速低、环境温度高、 高辐射时，也能正常散热，测试表明其温度仅比一个太阳下的组件高 5— 10oC。 SEA公司 [15] 采用挤制铝材的散热片，实验表明，从散热片到空气的温度降至少是散热片内部温度降的 5倍，所以散热片到空气的传热是主要的热阻，主要的散热依靠 3个翅片和 2个组件的侧边， 3个翅片上都有突出物既加大了换热面积，也加强了对空气的扰动增强了传热。 EUCLIDES[16] 的散热器由轻质铝翅片组成，通过模拟计算组件背面与空气的导热和对流传热，得到 了散热片质量一定时翅片的最佳尺寸和间距，翅片厚 lmm和长 140mm，间距为10mm，但由于制造上有难度，翅片的厚度略有增加。 另外一种散热片又叫热扩散片 (heat spreader)，它通常是一张薄铜板，由于铜有很好的导热性，可以把电池所吸收的热量很快传到其他元件上，与传统的散热片相比主要特点是结构简单、质量轻，铜板的表面积通常与聚光器的表面积相当。 文献 [17] 对此传热原理有较详细的论述，作者指出了合理选择电绝缘层对于传热的重要性，并且通过实验说明此种装置在 500x下的适用性。 Sandia[18] 开发出一种散热器，是把电池直接焊在铜的散热片，既做为传热元件也做为下电极。 此外，由于太阳能电池所产生的电流为直流电，所以聚光光伏发电系统需要逆变器才能实现对外供电，当电量富余时需要用储能装置来储能。 逆变器将模组输出的直流电转变成我们所使用的交流电。 储能装置不仅有传统的铅酸蓄池，而且有利用电能抽水或压缩空气待需要时在将其释放发电的方式，近年来超导技术在储能领域也得到广泛的应用。 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 12 第三章 菲涅耳透镜聚光系统 在聚光光伏技术中 ，菲涅耳透镜以其较低的成本以及轻便容易制作等有点成为聚光系统设计者的主要选择，本章将详细介绍菲涅耳透镜聚光原理及二次聚光的重要性。 菲涅耳透镜 Fresnel 透镜是由法国物理学家 Augustin Jean Fresnel 在 1822 年发明的 ,它是采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列组成不连续曲面取代了一般透镜的连续球面。 Fresnel 透镜因其结构简单 ,便于制造 ,重量体积上更轻、更薄 ,设计上可以获得更大的孔径与焦距比 ,所以作为太阳能聚光器的应用也越来越受重视。 其中以美 国 Wagner 等提出采用 Fresnel 透镜进行太阳光谱分离的研究预计可以设计出效率超过 50 %的聚光光伏发电系统 [19] 较为突出。 太阳能 Fresnel 聚光透镜的设计主要是以透镜的光学效率、成像面上光斑的能量均匀性、色散以及聚光光斑大小与聚光光伏电池的匹配等为主要控制指标 [20]。 如图 ， 菲涅 耳 透 镜的 其 中 一 面 刻 有 一系 列 同 心 棱 形 环带 ， 其 中每个 棱 形 环带 都相 当于 一 个 独 立的 折 射 面 ， 这 些 棱 形 环带 都 能 使入 射 光 线 会聚 到 一个 共 同 的 焦 点。 图 菲涅耳透镜第 i齿折射光路图 图中 h 为光 线 到 光 轴 的 高度 ， L 为 菲涅 耳 透 镜的 焦 距 ， n 为 材料对 应 入 射光谱的 折 射 率。 u 为光 线 经 菲涅 耳 透 镜后的 偏 折 角度 ， α 为 菲涅 耳 齿 的 倾 角 ， 计算 公 式 为 ： 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 13 hu=argtan L（ ） （ 1） sin u= a rg ta n n c o s uα （ ） （ 2） 由（ 1） 、（ 2）可得出结论：在相同的受光面积下，菲涅耳透镜与相同材料、焦距的凸透镜相比具有能将更多的光线汇聚于焦平面的优点。 如 （ a）、 （ b）仿真图所示。 图 （ a） 普通凸透镜聚光光斑辐照度分析图 图 （ b） 菲涅耳透镜聚光光斑辐照度分析图 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 14 光线偏移对聚光光斑的影响 在聚光光伏中，聚光比的严格定义为聚光器表面积与最小光斑的面积之比，我们在希望光线和能量尽可能的集中的同时又希望光线和能量在电池表面均匀分布，我们可以想象到几十甚至是上千倍的聚光系统中入射光线的偏移会对光斑将有重大影响。 那么这个影响有多大呢，以下是对入射光线与主光轴偏移角为 0176。 ～ 1176。 情形的光学仿真。 所采用的菲涅耳透镜尺寸为 150mm 150mm，厚度 2mm，焦距为 200mm，材料为常见且便宜的 BK7光学玻璃，采用 5mm 5mm电池。 达到透镜表面积的光通量为 W。 偏移角为 0176。 时 偏移角为 176。 时 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 15 偏移角为 176。 时 偏移角为 176。 时 偏移角为 176。 时 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 16 偏移角为 176。 时 偏移角为 176。 时 偏移角为 176。 时 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 17 偏移角为 176。 时 偏移角为 176。 时 偏移角为 1176。 时 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 18 光线偏移角与电池表面辐照度间的关系可以用表 表 光线偏移角与电池表面辐照度间的关系对比 由此可见， 1176。 的 光线的偏移造成电池效率几乎降为 0，造成这种情况的原因是偏移后的光线经菲涅耳透镜折射后形成光斑也在偏移，据 （ 1）式可知折射角 u与 h之间是对数关系， h变化越大，折射角 u变化越大，在焦平面光斑的位移也就越大。 这也正是聚光光伏系统对追日系统有很高的精度要求的原因。 但是由于电机回转、齿轮等不可避免的机械误差导致光线偏移会超过 1176。 ，为解决这个问题下面一节将介绍二次聚光和匀光技术。 二次聚光及匀光技术 二次聚光 由于机械偏差导致的入射光线与受光面不垂直会直接影响电池表面光斑的辐射分布，而且由菲涅耳透镜直接折射汇聚后的光斑能量分布不均匀，这些问题都会直接影响电池的效率。 而解决着一些问题的最佳途径就是二次聚光 并将重新汇聚后的光线均匀照射在电池表面。 光杯和光锥是最常用的二次聚光、匀光器件。 光杯是由四面高反射材料构成的倒梯形装光学器件，如图 （ a），其原理就是经菲涅耳透镜折射汇聚后的光线由倒梯形上方的宽面射入光杯，在高反射率材料之间经数次反射后均匀照射在电池表面。 电池与光杯之间采用无缝隙粘附技术。 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 19 图 （ a） 光杯实物图 光锥则是由高透过率的光学玻璃构成的实心倒梯形状光学器件，如图（ b）。 其工作原理是经菲涅耳透镜折射汇聚后的光线射入光锥上方的宽面，在光锥内部经全反射均匀照射在电池表面。 图 （ b） 光锥实物图 看上去光锥原理与光杯相比较大同小异，但事实上光锥的效果要好于光杯，其原因是光线在光杯内反射时是有能量损耗的，而在光锥内全反射没有能量损耗。 并且进入光杯内的部分光线会被反射出来。 以下将对光锥的二次聚光作用做详细的分析。 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 20 图 （ c） 光锥全反射光路图 图 （ c）所示为光锥的光路图，由折射定律和三角集合关系可得： 1 1 2 2n sin =n sinAB （ 1） 21=A D B （ 2） 31=3A D Bπ （ 3） 式 中 ： n1 、 n2分 别 为空 气 和二 次 聚 光器 材料 的 折 射 率。 为 了 保 证 光 能 透 过率 需 要 使 光 线 在 侧 壁全 反 射 ， 根 据 全 反 射 定律 可 知 ： 12 2n=arcsin nA （ 4） 13 2n=arcsin nA （ 5） 综合式（ 1）～（ 5）得： 11122nna r c s i n a r c s i n s i nD  （ A ） （ 6） 11122nn3 = a r c s i n a r c s i n s i nD  （ A ） + π （ 7） 湖北工业大学理学院 2020 届毕业设计（论文） 21 由 公 式 (6)、 (7)可 确定 入 射 角 A1 和 倾 角 D 的 关 系 ， 从 而 对 全 反 射 式 二 次 聚光器的设计 提供 理 论依 据。 对 于存在更 多次全 反 射的 情 况 ， 可以 根 据 上 述 方 法 进行 推 导。 而 对 于更 复 杂 的 三 维 聚 光 以 及 多 波长 聚 光的 情 况 ， 则 需 要 结合 光 学 设计软 件 的光 线追迹 来 进 行 仿 真 设计。 因此，在设计、安置时二者有一定的区别。 例如，粘附有光杯的电池片在放置于模组时，电池片应处在菲涅耳透镜的焦距处。 而粘附有光锥的电池片在安置在模组时，光锥 的宽面应处在菲涅耳透镜的焦距处。