新型太阳能光伏楔形聚光器的研究

摘要

聚光光伏(CPV)技术通过聚光手段使单位面积的太阳电池上获得较大的能量输入，以此提高太阳电池的利用率，降低光伏应用的成本。近年来CPV发展迅速，发电成本不断降低，就目前而言发电成本已与大规模应用的平板光伏技术的成本不相上下。随着CPV技术的进一步完善，规模的进一步增加，CPV必将有更好的发展前景，成为推动光伏技术的大规模应用的重要技术手段。
　　 高倍聚光光伏(HCPV)技术虽然已经有许多的应用案例，达到了MW级的应用，但是其技术难度较大，适用范围比较有限，规模化应用还有一定距离；而低倍聚光光伏(LCPV)技术相对简单，应用方便，适用范围广，成本较低，因此发展LCPV应用无疑是一个比较好的选择。
　　 本文在简单介绍了光伏(PV)应用的发展形式及LCPV应用的特点之后，主要对以下几个方面进行了研究：
　　 首先，通过对文献及网络信息的广泛调研，归纳总结，提出了三种基本的低倍聚光技术形式，即几何光学元件聚光、Luminescent Solar Concentrator(LSC)技术以及适用于聚光应用的太阳电池结构，对了解低倍聚光的技术发展具有实在的价值，为静态低倍聚光应用的研究构；了必要的基础。
　　 然后，对其中一种几何光学元件聚光形式——楔形聚光器作了优化改进，并对普通楔形聚光器与改进型楔形聚光器的聚光特性进行了详尽的理论计算，比较了几何聚光比、光线接收范围、对散射辐射及直射辐射的能量聚光比、聚光的均匀性等性能。结果表明，楔形聚光器的聚光性能主要与电解质的折射率及楔形顶角相关，顶角越小，能量收集范围越小，但聚光比越大；改进型楔形聚光器的聚光比相对于普通楔形聚光器有较大幅度的提升，但是聚光均匀性有所恶化；理论计算与模型模拟计算的结果非常吻合，证明两种方法都正确，但理论计算能够一次处理多种折射率及楔形项角，而不需要绘制模型，应用方便。计算结果较全面地展示了楔形聚光器的聚光性能，为实际应用提供了足够的理论支持；且计算过程与考虑因素对其他低倍聚光器的聚光性能的研究具有很好的参考价值。
　　 最后，制作了一个普通楔形聚光器以及楔形聚光光伏组件，对理论结果进行实验验证。通过与普通平板组件在三种测试条件(标准测试条件、室内稳态光源下、户外的实际工作条件)下的性能对比测试，楔形聚光光伏组件的表现与理论计算的结果非常吻合。确定楔形聚光器及楔形聚光光伏组件具有较好的聚光性能及电性能，是一种比较好的光伏应用技术，而改进型楔形聚光器的实际表现应该会比这个更好一些。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1太阳能光伏应用的优点及行业发展情况

1.2聚光光伏技术的特点及行业发展情况

1.3静态低倍聚光光伏技术的特点及发展情况

1.4硕士论文的主要工作

第二章静态低倍聚光的主要形式

2.1从几何光学元件入手的低倍聚光形式

2.1.1 CPC(反射或全反射)

2.1.2凸面透镜(透射)

2.1.3凸面菲涅耳透镜(透射)

2.1.4 V形聚光器(反射)

2.1.5楔形聚光器(反射+全反射)

2.1.6平板聚光器((漫)反射+全反射)

2.2从电池结构入手的低倍聚光形式

2.2.1球形太阳电池

2.2.2双面太阳电池

2.3 LSC技术

2.3.1 FSC

2.3.2 QDSC

2.3.3 OSC

2.4本章小结

第三章楔形聚光器聚光特性的理论研究

3.1楔形聚光组件的技术形式

3.2聚光器横截面聚光性能

3.2.1楔形聚光器的聚光比

3.2.2改进型楔形聚光器的聚光比及与普通楔形聚光器的比较

3.2.3两种楔形聚光器的光线接收范围比较

3.3楔形聚光器的空间聚光特性

3.3.1空间接收范围的确定及计算说明

3.3.2空间接收范围的计算结果

3.3.3改进型楔形聚光器对散射辐射的聚光比

3.3.4改进型楔形聚光器对直射辐射的聚光比

3.3.5楔形聚光器的设计考虑

3.4聚光均匀性研究

3.4.1散射光汇聚后的能量分布

3.4.2直射光汇聚后的能量分布

3.5本章小结

第四章楔形聚光光伏组件的实验研究

4.1实验准备与说明

4.1.1太阳电池

4.1.2楔形聚光镜及聚光组件制作

4.1.3测试设备与仪表

4.2实验过程及结果分析

4.2.1标况下Ⅳ特性测试及结果分析

4.2.2室内稳态光源下的测试及结果分析

4.2.3户外实际工作表现测试及结果分析

4.3本章小结

结 论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢