高倍聚光光伏光学系统的设计与实验研究

摘要

随着全球经济的快速增长以及工业化水平的不断提高，人类社会对能源的需求仍将持续增长。由于传统能源的不断消耗和不可再生性，可再生能源的开发势在必行。光伏发电可分为晶硅太阳能发电和聚光光伏发电。与晶硅太阳能发电技术相比，聚光光伏技术有以下优势:(1)聚光光伏采用的多结太阳电池拥有较高的转化效率，目前商业批量生产的转换效率已经达到40％，而晶硅和薄膜太阳电池的理论转换效率仅大约28％。(2)多结太阳电池发电效率有较大的提升空间。Sharp公司和Fraunhofer ISE实验室已经分别获得效率为44.4％的三结太阳电池和46.0％的四结太阳电池。多结太阳电池的理论转换率可超过60％，并且仍以每年0.9％的速度增长。(3)高转换效率的三结太阳电池比晶硅太阳电池的单位面积内的发电量更大并且系统的占地面积更小。同时，每个单独的聚光跟踪系统又有支架做支撑远离地面，土地还可以继续种植草坪、低矮灌木等进行综合利用。虽然聚光光伏具有其它新能源发电技术无法比拟的高发电效率以及巨大的提升空间，但是目前的聚光光伏发电的成本仍然高于其它发电技术，这仍然是制约聚光光伏发展的主要因素。本论文以非成像光学设计理论为基础，基于大量的测试数据与生产实践经验，研究聚光光伏系统的设计、制造工艺以及组件光电性能的测试等。
　　本论文研究内容如下:
　　1.对影响聚光光伏发电效率的四个主要影响因素:光谱匹配、辐照度分布均匀性、温度，以及系统容差等进行理论分析，为聚光光伏系统的设计提供依据。
　　2.基于非成像光学设计理论，对透射式聚光光伏系统的一次光学元件和二次光学元件进行设计分析和实验验证。提出了环形分区菲涅尔透镜设计作为聚光光学系统的一次光学元件，太阳电池表面的辐照均匀度可提高15.9％。在对二次光学元件的设计研究基础上，提出以球透镜为二次光学元件的聚光光学系统:削顶球透镜为二次光学元件的有胶封装系统和球透镜为二次光学元件的机械封装系统，分别对两种不同的聚光光学系统进行设计、光线追迹和实验测试，测试结果表明两种球透镜为二次光学元件的聚光光学系统均可获得超过30％的发电效率和大于0.7°的接收角，同时还降低了系统的可靠性风险。
　　3.对反射式电热联产聚光光伏系统进行设计研究和样机测试，包括分割式自由曲面反射镜的设计、聚焦光斑的光强分布和温度场分布测试，以及系统的光电转换与光热转换效率测试，测试结果可得到7.9％的光电转换效率和51.2％的光热转换效率。同时，提出利用旋转对称二次曲面反射镜产生方形且均匀分布的聚焦光斑，以降低对反射镜制造工艺的要求。
　　4.研究了SOG菲涅尔透镜的制造工艺以及误差来源，通过对透镜齿形的测试，对其理论模型进行修正。随后通过不同太阳电池尺寸实验来验证理论对电池尺寸的选择。最后，基于全反射原理，研究了二次光学元件在使用光学胶贴装过程中，二次光学元件底部侧面溢胶对接收器组件光学效率的影响。模拟分析了三种不同二次光学元件的侧面溢胶高度对光学效率、接收角和温度变化的影响。
　　5.依据聚光光伏需要遵循的国际行业标准IEC62108和太阳光模拟器标准IEC60904，对室内功率筛选和户外电性能测试方法进行分析，为聚光光伏的电性能测试提供参考。
　　本论文主要创新点包括:
　　1.基于球透镜为二次光学元件，提出两种不同封装方式的聚光光学系统，不仅可以获得优于30％的发电效率和0.7°的接收角，同时，还有效提高了聚光系统的可靠性。
　　2.对二次光学元件侧面溢胶导致的光学效率损失的机理进行分析，对比了三种不同二次光学元件的侧面溢胶影响，为接收器封装工艺的优化设计提供依据。通过实验测试对菲涅尔透镜模型进行修正，模拟结果与实验测试数据可以达到较好的吻合。
　　3.基于非成像光学设计理论，并结合大量的室内与户外测试结果，对聚光光伏系统的光学设计、制造工艺以及光电性能测试方法进行了研究与分析，为聚光光伏系统的设计与应用提供依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 全球光伏发电概况

1．1．1 全球能源利用发展现状

1．1．2 全球光伏发电进展

1．2 聚光光伏技术发展概况

1．2．1 太阳能聚光技术

1．2．2 聚光光伏的发展现状

1．2．3 聚光光伏的发展趋势

1．3 本论文主要工作

参考文献

第2章 聚光光伏发电效率影响因素分析

2．1 光谱分布

2．1．1 太阳光谱

2．1．2 多结太阳电池光谱响应

2．1．3 光学元件随光谱的变化关系

2．2 温度特性

2．2．1 多结太阳电池的温度特性

2．2．2 SOG透镜的温度特性

2．3 非均匀光照

2．4 系统容差

2．5 本章小结

参考文献

第3章 透射式聚光光伏光学系统设计

3．1 非成像光学设计

3．1．1 光学扩展量

3．1．2 边缘光理论

3．1．3 法向量求解面形轮廓

3．2 菲涅尔透镜设计原理

3．2．1 菲涅尔透镜一般设计方法

3．2．2 分区菲涅尔透镜设计

3．3二次光学元件设计

3．3．1 组合面形透镜设计

3．3．2 球透镜无胶封装光学系统设计

3．3．3 削顶球透镜有胶封装光学系统设计

3．4 本章小结

参考文献

第4章 反射式聚光光伏光学系统设计

4．1 分割式电热联产系统的设计与测试

4．1．1 非成像反射镜设计

4．1．2 分割式排布反射镜设计

4．1．3 光学模拟

4．1．4 户外测试

4．2 产生均匀光斑的二次曲面反射镜设计

4．2．1 反射镜设计原理

4．2．2 光学模拟与误差分析

4．3 本章小结

参考文献

第5章 制造工艺对聚光光伏发电效率影响

5．1 菲涅尔透镜制造误差对聚焦光斑影晌

5．2 不同太阳电池尺寸对光效影响

5．2．1 理论模型建立与分析

5．2．2 实验验证

5．3 二次光学元件侧面溢胶影响

5．3．1 理论分析

5．3．2 侧面溢胶对光学效率的影响

5．4 本章小结

参考文献

第6章 聚光光伏模组测试

6．1 聚光光伏模组测试标准

6．2 室内功率筛选测试系统

6．2．1 太阳模拟器

6．2．2 IV测试系统

6．3 户外电性能测试

6．3．1 测试步骤

6．3．2 数据校准

6．4 本章小结

参考文献

第7章 总结和展望

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢