条形平面镜聚光器的实验研究与性能优化

摘要

聚光光伏技术能够有效的提高系统发电效率，降低发电成本，近年来得到了迅速发展。聚光器作为聚光光伏系统中的重要组成部分，提供的聚焦光斑直接影响着聚光太阳电池的工作环境。本文针对现有聚光器存在的问题，提出了一种低成本的条形平面镜聚光器，并对其性能进行了实验研究和模拟优化。
　　利用TracePro和Solidworks软件模拟特定设计参数下的条形平面镜聚光器在典型入射角下的光学性能，对其聚光比、聚焦光斑均匀性、光斑宽度以及相邻镜片间的遮挡情况进行了研究。光线入射角小于极限入射角时，相邻镜片间始终无遮挡，80mm宽可利用的有效焦斑宽度内能流密度分布均匀，且稳定在16kW/m2左右；光线入射角大于极限入射角时，相邻镜片间发生遮挡。
　　设计并研制了与光学模拟中相同设计参数的条形平面镜聚光器，采用间接测量的方法利用CCD（电荷耦合器件）成像原理测试并标定了聚光器在典型入射角度下的聚焦光斑能流密度分布。能流密度的高低很大程度上取决于法向直射辐照度的高低，将能流密度值除以对应时刻的法向直射辐照度得到聚光器的实际聚光比，阳光垂直入射时实测聚光比最大，平均值达14.63；阳光0°和±15°入射时，模拟值与实测值相对误差在5％以下，光学模拟能够很好的表征聚光器的聚光效果。
　　利用推导出的条形平面镜聚光器在极限入射角时镜片间不遮挡的最小间距公式，建立数学模型，编制优化分析程序，对各相关参数进行了分析与优化。计算结果表明：镜片数目及宽度对聚光器尺寸及性能影响相对较小；极限入射角和接收器安装高度对聚光性能影响较大，极限入射角的设定也决定了聚光系统的运行时间和结构尺寸。以SunPower公司的背结聚光硅太阳电池组件作为接收器，对聚光器进行了优化和光学模拟。模拟结果表明：电池表面辐照度分布均匀，平均为15.5kW/m2，系统发电功率可达2.65kW。

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第一章 文献综述

1.1 聚光光伏系统组成

1.2 聚光器的分类

1.3 国内外聚光器的研发进展

1.4 条形平面镜聚光器

1.5 论文工作的提出

第二章 条形平面镜聚光器光学性能模拟

2.1 TracePro简介

2.2实体模型的建立

2.3光学设定及追迹分析设定

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 条行平面镜聚光器聚焦光斑能流密度分布的实验研究

3.1条形平面镜聚光器的研制

3.2实验装置

3.3实验相关计算

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章 条形平面镜聚光器设计参数的分析及优化

4.1条形平面镜聚光器的数学模型

4.2设计参数的分析及优化

4.3光学模拟验证

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录1 太阳高度角、方位角、阳光到聚光器反射平面的入射角、DNI及聚光器反射总功率计算程序

附录2 镜片最小间距计算程序

附录3 给定设计参数条形平面镜聚光器性能分析程序

发表论文和科研情况说明

主要符号说明

缩略语

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