聚光光伏发电系统的效率优化研究

摘要

伴随着世界科技的飞速前进，人们在能源上的需求日渐增加，化石燃料的枯竭问题已经迫在眉睫。加之化石能源的燃烧引起了空气质量的严重下降，对人类社会的快速发展造成了不可估计的影响。寻找资源丰富、绿色清洁的可再生能源成为当前急需解决的问题。太阳能作为一种可再生能源，储量丰富，分布广泛，并且清洁无公害，受到了众多研究者关注，成为各国新能源开发利用的主要代表。
　　把太阳能用于光伏发电是对其开发运用的途径之一。如今，光伏发电技术已经发展到了第三代——聚光光伏发电(CPV)技术，为了使聚光光伏发电得到更广泛的应用，对其发电效率做进一步的优化是当前CPV发电的研究重点。在聚光光伏发电系统的主要模块中，对聚光器及其跟踪、冷却设备的研究是优化发电效率的主要探索方向。针对这一方向，本课题的主要工作内容如下:
　　首先，阐述了聚光光伏发电技术的当前现状并做出了总结，简要概述了影响聚光光伏效率的制约因素。接着从光伏发电的原理入手讨论了聚光光伏发电的原理及工作模块，具体介绍了各模块对发电效率的影响。
　　其次，本文基于聚光光伏电池的工作原理及输出特性，对聚光和冷却条件下的砷化镓光伏电池性能进行了详细研究，建立了电特性及热电特性方程，通过仿真结果具体分析了聚光比、电池温度及冷却热导对电池特性的影响，为聚光模块的改良奠定了基础。然而，随着聚光倍数的提高，电池自身的温度越来越高，严重影响了光伏电池的使用寿命和工作效率。如何实现光伏电池的有效散热，降低光伏电池表面的温度是提高电池光电转换效率的关键之一。本文从传统的光伏电池散热系统出发，分析比较了它们现有的优点和不足，发现了一种针对高倍聚光电池的混合式散热系统，它综合了液浸式和管道式散热系统的优势，解决了高倍聚光电池的散热难题。另外，具体研究了低倍聚光电池的平板式热管散热体系，创建了其具体实验模型，经过仿真证实了该系统对电池冷却的有效性。
　　最后，基于漏斗式聚光器的聚光原理和不足之处，利用平面镜对光量无损耗的优势阐述了漏斗式聚光器的优化方案，分析了一种全自动追踪太阳的多面镜漏斗式聚光器。通过对光电控制与时钟控制跟踪的研究，提出了一种混合式的追踪办法。该方法将传统的混合式跟踪和MPPT算法结合起来，进行二次跟踪，在保证跟踪精度和速度的情况下提高了聚光器的聚光比。依据跟踪流程图，进行了相关仿真，证实了该方法能进一步优化聚光光伏发电的效率。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题意义

1．2 聚光光伏发电的研究现状

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 本课题的研究内容及主要工作

第二章 聚光光伏(CPV)发电系统的介绍

2．1 光伏发电原理

2．2 聚光光伏发电系统的构成及原理

2．3 聚光光伏发电系统的结构

2．3．1 聚光模块

2．3．2 电池模块

2．3．3 太阳能追踪模块

2．3．4 冷却模块

2．4 聚光光伏发电在发展中的难点

2．5 本章小结

第三章 聚光光伏电池在不同情况下的特性

3．1 聚光光伏电池电特性方程

3．2 聚光光伏电池的热电平衡方程

3．3 聚光太阳能电池特性分析

3．3．1 聚光倍数和温度对太阳能电池性能的影响

3．3．2 光伏电池输出特性随冷却热导及聚光倍数的变化

3．4 本章小结

第四章 聚光型光伏电池的冷却技术研究

4．1 常见的CPV电池的冷却方法

4．1．1 常见的被动式冷却方式

4．1．2 常见的太阳能电池散热方式

4．2 低倍CPV散热系统—新型平板热管的散热原理及优势

4．3 高倍CPV散热系统—混合式冷却散热方式

4．4 本章小结

第五章 聚光光伏发电系统聚光器及其随动设备改进

5．1 聚光器的分类

5．2 漏斗式聚光器的聚光比优化研究

5．2．1 漏斗式反射镜的聚光原理

5．2．2 单曲面漏斗式反射聚光器的结构参数

5．2．3 多面镜漏斗式反射聚光器的研究

5．3 聚光器的自动跟踪设备

5．3．1 主追踪系统

5．3．2 粗追踪系统

5．3．3 精追踪系统

5．3．4 实验论证

5．4 本章小结

第六章 课题总结与展望

6．1 课题总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢

硕士期间研究成果

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