线性菲涅耳反射太阳能聚光器的理论分析与实验研究

摘要

目前，人类赖以生存发展的化石能源面临着严重的需要解决的问题:首先是全球已探明的化石能源储存量有限，不可再生能源很快将会消耗殆尽;其次，化石能源的消耗带来了严重的环境问题，如温室效应、大气污染等。因此，开发和利用可再生能源十分必要和紧迫。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，近年来受到了越来越多的重视。但太阳能辐射能流密度较低，制约了其应用。开发具有实用价值的低成本、高效率、高稳定性的太阳能聚光器，是提高太阳能辐射能流密度最有效的途径，能够进一步促进太阳能的广泛应用。而传统聚光器，如槽式、碟式和塔式太阳能聚光器，在加工、安装维护，或聚光能流密度均匀性等方面均存在一定的缺点。因此，本文在传统聚光器的基础上，提出了一种新型线性菲涅耳反射太阳能聚光器，一种分频聚光光伏光热综合利用系统，以及一种分段槽式太阳能聚光系统，并依托国家重点基础研究发展计划(973)计划(NO:2010CB227305)，中科院太阳能行动计划(No.CX2090130012)，开展了相关理论和实验研究。
　　 首先，提出了新型线性菲涅耳玻璃镜面反射聚光器的结构设计原理。该系统主要包括三个部分，反射玻璃镜面、平板框架以及聚光接收体。条形玻璃镜面的宽度和倾斜角度随自身所处位置、聚光接受体形状尺寸和安放角度以及是否考虑太阳入射光立体角影响等因素确定，并给出了无量纲理论公式。数值分析表明系统理论聚光比、面积利用率主要与聚光接收体的安装高度和镶嵌玻璃镜面的平板框架尺寸有关;聚光接收器为平板型时，其安装角度对理论聚光比和面积利用率的影响不大;为圆柱体时，理论聚光比与反射镜面数基本成线性规律，面积利用率与无量纲跨度与接收器高度的比值μ/ξ有关。因玻璃镜面安装彼此之间存有间隙，可大大降低风阻;由于采用平面玻璃镜反射太阳辐射，在焦平面位置可以得到均匀分布的能流密度，提高光伏电池效率。
　　 其次，建立了线性菲涅耳玻璃镜面反射聚光器实验系统。用CCD法对聚光光强分布进行了测试，结果表明其分布均匀，与理论分析计算结果一致。采用单晶硅电池进行了聚光光伏发电实验，效率可以达到15.9％，具有较高的发电效率。过对单管集热器、双管集热器以及双管加扭转叶片集热器进行了聚光集热实验，分析了东西向线聚焦系统端头效应对集热的影响。结果表明集热温度在120℃以下时，该聚光系统的总体集热效率可以达到0.74左右，并且由于辐射热损的影响集热效率随集热温度的上升而减小。
　　 再次，在线性菲涅耳聚光反射太阳能聚光器的基础上，提出了一种聚光分频光伏光热综合利用系统。其中分频器选用SiO2和Nb2O3作为高低折射率材料，使用Needle法针对单晶硅电池特性对其膜系结构进行了优化设计，结果显示，约80％的有利于单晶硅电池发电的光谱辐射(波长范围0.35μm＜λ≤1.1μm)可以透过涂层照射到电池表面，约71％不利于单晶硅电池发电的光谱辐射(1.1μm＜λ≤3μm)被反射到了集热管上。从而大大降低了太阳电池的废热负荷。理论分析结果显示，对于单晶硅光伏电池宽度100mm，安放高度2000mm，角度36°，聚光器理论聚光比56.8的聚光分频系统，单晶硅光伏电池发电效率可达11.99％，同时集热部分可以独立获得1511.4W/m的中高温热能。
　　 最后，提出了一种新型的分段式槽式太阳能聚光器，通过在平面框架上放置同焦线的多块抛物面反射镜面，将光线聚集于焦线处，使用平板型集热器或圆柱型集热器作为接收体，用于太阳能聚光光热利用。该聚光器由于采用分段式的抛物反射镜，因此相比传统槽式聚光器具有较小的风阻，较低的镜面高度，并同时能够达到较高的聚光倍数。根据几何光学原理给出了确定每块抛物镜面尺寸及位置的曲线方程，并根据各器件实测的光学性质对聚光器进行了理论分析计算，分析结果当聚光器跨度在4m以内时，接收器安装高度值应取1.2m以上，跨度在6m以内时，接收器安装高度值应取1.8m以上。理论集热效率可以达到0.75以上。

目录

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摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 太阳能利用概述

1．2．1 我国太阳能资源

1．2．2 太阳能利用方式

1．3 太阳能聚光方式

1．3．1 槽式聚光器

1．3．2 塔式聚光器

1．3．3 碟式聚光器

1．3．4 菲涅耳透镜

1．3．5 其他聚光器

1．4 线性菲涅耳太阳能反射聚光器

1．5 本文研究内容

参考文献

第2章 平板型线性菲涅耳太阳能反射聚光器理论分析

2．1 平板型线性菲涅耳太阳能反射聚光器

2．1．1 聚光器简介

2．1．2 聚光器设计

2．2 聚光系统理论分析

2．2．1 无量纲参数

2．2．2 理论聚光比

2．2．3 面积利用率

2．2．4 理论聚光比和面积利用率关系

2．2．5 能流密度模拟

2．3 本章小结

参考文献

第3章 平板型线性菲涅耳太阳能反射聚光器实验研究

3．1 前言

3．2 平板型线性菲涅耳太阳能聚光器聚光光伏应用

3．2．1 实验装置系统

3．2．2 光斑能流密度分析

3．2．3 伏安特性曲线

3．3 平板型线性菲涅耳太阳能聚光器聚光光热系统

3．3．1 系统设计

3．3．2 实验装置性能评估

3．4 平板型线性菲涅耳太阳能聚光器聚光光热效率

3．4．1 有效集热长度

3．4．2 聚光器光热效率公式

3．4．3 单管集热效率分析

3．4．4 双管集热效率分析

3．4．5 有扭转叶片光热分析

3．4．6 高温条件下光热分析

3．5 本章小结

参考文献

第4章 聚光分频太阳能利用系统的研究

4．1 研究背景

4．2 太阳能分频利用概述

4．3 线性菲涅耳太阳能分频光伏光热综合利用系统

4．4 分频器设计

4．4．1 理想选择透过涂层

4．4．2 评价函数

4．4．3 设计结果

4．4．4 太阳辐射下涂层性能评价

4．5 分频光谱分析

4．6 本章小结

参考文献

第5章 分段式槽式太阳能聚光系统的基础理论

5．1 前言

5．2 分段式槽式太阳能聚光器理论模型

5．2．1 聚光器设计

5．2．2 基本公式

5．2．3 应用方案

5．3 性能分析

5．4 分段式槽式太阳能聚光器结构优势

5．5 理论集热效率

5．6 本章小结

参考文献

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果