聚光太阳能发电系统（共8篇）
聚光太阳能发电系统 篇1
太阳能已经成为了中国21世纪发展国民经济和建设小康社会最刻不容缓的主要任务和战略目标。太阳能能源丰富,不受地域条件,和其他方面的限制,可以免费获取,人类均可以利用和开发太阳能,造福于国家和社会。但是由于太阳能的能量密度低,能量分散,利用率却不是非常的高,该文介绍了一种太阳能聚光伏跟踪系统的方案。
1 我国太阳能资源的现状分析
中国幅员辽阔,具有丰富的土地和资源,其中太阳能资源更加是非常的充足,据估算,我国每年的陆地表面接收的太阳能能量达到了10亿立方米,从分布的地域来看,青藏高原等海拔高度比较高的地方,辐射量是最大的。这些地方大气轻薄,透明度良好,纬度低,日照时间比较长。太阳能主要利用包括了三大领域:光电转化技术,光化学转化技术,和储能技术。
2 光伏发电的基本概念和分类
太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转化为电能的一种新型发电系统。太阳能光伏发电系统是将太阳能直接转化成电能的发电系统,利用的是光生伏打的效应。
太阳能光伏发电系统可以分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统,两个都是具有各自的优势和用途。
独立太阳能光伏发电系统是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式,主要是用于民用范围比较远的地区,比如家庭系统,村级太阳能光伏电站。工业范围内主要用于电讯,卫星广播系统,小型风力发电。
并网太阳能光伏发电系统是指太阳能光伏发电与国家电网连接的发电方式,最典型的特征是不需要蓄电池,主要用于商业用途:企业,政府大楼等。工业领域有太阳能光伏发电场。
3 光伏发电的系统主要组成部分
太阳能发电系统由太阳能电池组,太阳能控制器,蓄电池组成,输出电源交流为220v或者是110v,还需要配置逆变器。各部分的作用如下。
3.1 太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部分,也是价值最高的部分。其作用是太阳能辐射能量转化成电能,或者是送往贮蓄板中贮蓄起来。太阳能电池板的成本和质量直接关系到发电系统的质量和成本。
3.2 太阳能控制器
太阳能控制器的主要作用控制整个系统的工作,并且对蓄电池起到良好的保护作用,过放电保护作用。在温差较大的地方,合格的控制器还具有温度补偿的功能。
3.3 蓄电池
蓄电池一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用锂电池。其作用是在光照的时候将太阳能电池板所发出的点存储起来,到需要的时候选择释放出来。
4 光伏系统的关键技术和产业链
4.1 关键技术
我国的并网光伏电起步时间是比较晚,近年来,发展速度是非常快,相关的部门开展了一系列有关的研究和工作,且取得了一定的成果和进展。这些进展都表明了我们已经初步掌握了并网光伏电发电系统的关键技术。包括了cvtpwm最大功率跟踪控制技术,并网逆变技术,系统的数据实时采集和传输技术,具有了良好的能力。
4.2 光伏产业链
光伏产业链是一条垂直链,目前掌握的上游企业的利润比较高,下游企业利润比较低。如图1所示。
光伏电池的制备工艺过程非常的复杂,晶体硅电池增长的速度迅猛,要灵力多达五个阶段来完成。国际上主流的技术主要存在着西门子法,流化床法和冶金法,不同的提炼技术的成本与提炼效率是正关系。多晶硅的提炼纯技术是制约光伏产业中最大的瓶颈。一方面是工艺成本技术,另一方面是生产多晶硅流程消耗的环境污染成本。
据权威产值分析,多晶硅提炼环节占据光伏产业的比重达到了一般以上,技术决定了价值是没有错的。而世界范围内多晶硅产能扩充能力来源于此。多晶硅和硅片切割环节仍然是价值链中最重要的领域之一。
5 结语
太阳能作为一种永不枯竭,可再生的能源受到了广泛的推广,我们要使得系统能够输出最大的电能,除了要研制价格低廉,能量转换率高的光电材料之外,还要科学实现控制。这些控制方法不仅包括了光伏自动跟踪技术和最大功率控制技术。太阳能光伏系统整体的结构是复杂但是有科学逻辑,帮助了我们解决了生活中的各个难题,成为一种新型的产业,影响着我们的生活和社会的方方面面。利用好可再生能源有助于造福人类,造福于世界,生活会变得更加的美好,和谐和幸福。
摘要：随着科学技术的不断发展,人类赖以生存的环境日益面临着巨大的挑战,大力发展新能源已经成为了一种新的趋势。而太阳能则是符合人类的需求的一种新能源。但是,由于太阳能的分布并不是非常的均匀,辐射的时间也会随着日照方位和天气变化而影响。因此,如何有效的利用太阳能资源成为了首要解决的问题。
关键词：聚光太阳能,光伏发电,研究应用
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聚光太阳能发电系统 篇2
关键词：聚光器；虚拟风洞实验；气动特性；太阳能；流固耦合
中图分类号：TK514文献标识码：A
太阳能作为可再生能源与传统能源相比适用范围广且效益显著[1]，并拥有广阔的发展前景[2].对于碟式太阳能聚光器而言，风的扰动作用是最大的不确定载荷，而影响碟式太阳能聚光器气动载荷的最重要部位即是反射面.聚光器是一种在刚性金属结构支持下跟踪太阳的反射镜，由控制系统进行方位和角度的调整，然而太阳能发电系统往往都位于空旷的平整场地，大气流动对于聚光器所产生的风力作用较大，所以对于聚光器在风荷载作用下的风压研究就显得尤为重要.目前有关表面风压的研究多集中于高层、大跨、低矮房屋等结构上[3-6]，且关于碟式太阳能聚光器的研究主要集中在提高吸热器能量转化效率[7-10]、聚光器聚光效率[11-13]等方面，李正农教授曾使用风洞试验的方法对太阳能定日镜体型系数进行研究以实现对定日镜结构进行抗风设计和定日镜受风作用时的风振相应的分析[14-15]，而对于碟式太阳能聚光器这样特殊体型的结构的风荷载研究非常少.风洞试验是常用的计算结构风载荷的方法，成本高、周期长，而数值仿真方法可以快速准确地得到模型受风作用时的模型风效应情况，避免了风洞试验由于忽略细节而引起的计算误差，从而显示出蓬勃生机[16-18].国内外学者也提出过多种风载荷计算方法[19-21].
因此，本文采用简化的物理模型和高精度的数值算法，对处于恒风速虚拟风洞实验下的碟式太阳能聚光器进行气动载荷分析，获得碟式太阳能聚光器气动载荷分布，为改进碟式太阳能聚光器的结构以及对工程实践中的最佳避风姿势问题提供理论依据.
1基于虚拟风洞实验的碟式太阳能聚光器
仿真模型
1.1碟式太阳能聚光器物理模型
碟式太阳能聚光器三维简化模型主要包括底座、平衡块、支架、聚光器、悬臂梁、接收器等.本文仅就聚光器表面风压进行分析研究，因此抽取出聚光器模型，该模型直径为17 m，厚度为27 mm，在建模过程中即建好不同工况下的16个模型（由高度角α和方位角β体现），如图1所示.
对模型进行设定，将空气看作连续介质、无压缩粘性流体.网格的类型和数量对计算结果的准确性具有很大的影响.对该模型的流体区域采用的是多面体网格，非结构网格具有很好的灵活性和适应性，易于进行网格自适应.为了更准确地模拟聚光器周围流场特性，对聚光器周围区域有远及近逐步加密.
1.2碟式太阳能聚光器风荷载数学模型
由于风载作用于碟式太阳能聚光器是瞬时的不稳定的载荷，在分析中不能忽略结构的惯性，就必须采用动态分析.为分析问题方便，不妨以下标f表示流体，下标s表示固体.
1.2.1流体控制方程
流体流动要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律.如果流体中包含混合的其他成分，系统还要遵循组分守恒定律.对于一般的可压缩牛顿流来说守恒定律通过如下控制方程描述.
质量守恒方程：
1.2.3流固耦合方程
在流固耦合的区域，风载荷对碟式太阳能聚光器的压力可改变碟式太阳能聚光器的变形量，而后者反过来又会影响碟式太阳能聚光器上下游的气流流速和压力的分布.故将计算得到的碟式太阳能聚光器流场流速和压力再加载到聚光器的前后表面，并对流体控制方程和固体控制方程进行耦合求解.
1.3碟式太阳能聚光器风力分析
1.4碟式太阳能聚光器仿真条件设定
设置边界条件之前需对模型的流体域进行设置，流体域中所选流体为空气，气温为常温且绝热，参考压强为1标准大气压，所选的湍流模型为标准的κ-ε模型，在该流体域内设置边界条件.对该计算流体而言，通过模拟风洞实验的方式，采用3种初始条件和边界条件.
1）入口初始条件和边界条件：该区域的流体为不可压缩流体，入口初始风速分为恒定风速，流体流动为不可压缩流体流动，入口风速v=15 m/s，v=20 m/s和v=25 m/s.
2）出口边界条件：出口处的边界条件采用压力出口边界条件，压强为一个标准大气压.
3）壁面条件：流体域表面和聚光器表面，wall是一种限定流体域和固体域的边界条件.壁面条件的粗糙度设置为光滑.对于粘性流体，采用粘附条件，即认为壁面处流体速度与壁面该处的速度相同，无滑移壁面的速度为零，壁面处流体速度为零.聚光器表面和地面是固定不动，不发生移动的，所以采用无滑移的壁面条件；而流体域的顶面和前后面采用滑移边界条件.
对碟式太阳能聚光器流体域进行数值模拟时，不考虑热交换，即不考虑能量方程.因为流体介质是空气，具有不可压缩性，密度为常数.
1.5碟式太阳能聚光器流体域流固耦合求解
碟式太阳能聚光器流体域流固耦合求解流程如图4所示.具体求解步骤如下：
2基于虚拟风洞实验的碟式太阳能聚光器
气动特性和风压分布仿真分析
基于碟式太阳能聚光器模型在风场中遵循的各项理论，对其进行风场数值仿真模拟实验.影响碟式太阳能聚光器流场特性的因素有多种，其中影响程度较大的主要有风速v、聚光器高度角β、方位角α（风向角本也是其影响因素之一，但本文中将风向角转变为碟式太阳能聚光器的方位角来考虑）.考虑到碟式太阳能聚光器工作的多工况性，本文选取3种常见典型风速（15 m/s，20 m/s，25 m/s）、4种不同高度角（0°，30°，60°，90°）和5种不同方位角（0°，45°，90°，135°，180°）进行组合所得到的48种工况，然后针对这48种工况对碟式太阳能聚光器气动特性和风压分布进行仿真分析.
2.1碟式太阳能聚光器压强分布影响分析
高度角为0°、方位角为0° 时，碟式太阳能聚光器反射面压强分布云图如图5所示.由图5可以得知，当碟式太阳能聚光器计算域入口风速由v=15 m/s不断增大到v=25 m/s时，碟式太阳能聚光器反射面受到的压强也随之增大，且碟式太阳能聚光器中心区域的风压较大，而远离中心区域的风压较小，这是由于风载荷作用于碟式太阳能聚光器表面时，风向碟式太阳能聚光器的中心聚焦，而在碟式太阳能聚光器边缘出现脱离，而且在风速增大过程中，高压区有不断扩大且上移的趋势，应适当提高碟式太阳能聚光器中心处的强度和刚度.
碟式太阳能聚光器在相同高度角与恒定风速下反射面压强随方位角变化的分布云图如图6所示.由图6可以得知，当恒定风速为15 m/s时，不同姿态下的碟式太阳能聚光器的压力分布不同，在高度角β=0°和方位角α=0°时，碟式太阳能聚光器中心区域的风压较大，而远离碟式太阳能聚光器中心区域的压力较小，这是由于风载荷作用于碟式太阳能
聚光器时，风载荷向碟式太阳能聚光器中间聚集，而在碟式太阳能聚光器边缘出现脱离；聚光器在靠近来流方向的位置压力较大，而远离来流方向，压力相对较小.当改变恒定风速为20 m/s或25 m/s时，碟式太阳能聚光器在高度角β=0°时反射面压强相应增加，但其随方位角变化趋势与如图6基本相似.
2.2碟式太阳能聚光器气动特性分析
得到不同工况下碟式太阳能聚光器的升力系数、阻力系数、侧向力系数和最大表面风压分别如表1所示.
由于碟式太阳能聚光器升力来源于聚光器的上、下表面的压力差，阻力来源于聚光器的前、后表面的压力差，而侧力则来源于聚光器的左、右表面的压力差.
当碟式太阳能聚光器的高度角和方位角均为0°时，碟式太阳能聚光器有效迎风面积最大，相比于其他姿态，其表面峰值压力增大，并在背风区形成的空气负压区压力绝对值增大，压强差的增大也就造成碟式太阳能聚光器阻力的增大.在相同的风速下，随着高度角的增加，碟式太阳能聚光器前后表面空气流场的相互干扰，使碟式太阳能聚光器迎风面流动受阻，负压绝对值峰值增大，碟式太阳能聚光器前后表面的压力差形成背风面分离涡，导致碟式太阳能聚光器的升力随之相应增大.而当方位角为0°、高度角为90°时，聚光器受侧向力最大，此时聚光器凹面正朝上方，风从正侧面吹来，侧向力最大.
随着风速的增加，碟式太阳能聚光器的升力、阻力、侧向力和最大表面风压也随之增加，且最大表面风压增加幅度尤显明显；然而风力系数只与物理的形状和雷诺数Re有关，该模型的数值模拟结果表明，不同的风力系数大小有别，但是各自随风速的变化甚微，在一定程度上可忽略其变化.表1表明，当不考虑流固耦合作用时，碟式太阳能聚光器的升力系数CL2，阻力系数CD2，侧向力系数CC2和最大表面风压pmax2明显地小于考虑流固耦合作用时的碟式太阳能聚光器的升力系数CL1，阻力系数CD1和侧向力系数CC1以及最大表面风压pmax1，不考虑流固耦合作用时碟式太阳能聚光器的升力系数变化率ηL、阻力系数变化率ηD、侧向力系数变化率ηC和最大表面风压变化率ηp的最大值分别为19.6%，22.6%，25.5%和34.7%，其最小值分别为3.48%，2.73%，3.39%和15.5%.显然，不考虑流固耦合作用时，会给碟式太阳能聚光器的升力系数CL，阻力系数CD，侧向力系数CC和最大表面风压pmax的计算带来较大的误差.
2.3碟式太阳能聚光器表面最大风压变化分析
由于最大风压往往只是出现在某个点位置，所以用曲线图表示最大风压的变化趋势更加直观.碟式太阳能聚光器表面最大风压随方位角、风速和高度角的变化趋势曲线图分别如图7，图8和图9所示.
由图7可以得知，当碟式太阳能聚光器计算域入口风速不断增大时，碟式太阳能聚光器表面最大风压pmax也随之增大.风速不同、相同高度角下聚光器表面最大风压随方位角的变化趋势相同.当β=0°和β=30°时，最大风压呈现随方位角的增加而先增后减再增的趋势；β=60°时，最大风压呈现随方位角的增大先减后增再减的变化趋势；当β=90°时，碟式太阳能聚光器凹面正向上，方位角并不改变其姿态，表面最大风压pmax不随方位角的变化而变化，其值只由风速的大小所决定.图7表明，当风速由v=15 m/s分别增加为v=20 m/s，v=25 m/s时，其最大风压分别增加了53.5%和137.4%.
由图8可以得知，不同高度角下的碟式太阳能聚光器表面最大风压pmax曲线随计算域入口风速v的增加呈现近似线性增加的趋势.计算域入口风速v较小时，高度角和方位角对碟式太阳能聚光器反射面受到的最大压强pmax影响都较小.当计算域入口风速v>20 m/s后，方位角不同使得聚光器表面最大风压有所差别，且表面最大风压随风速升高的增大幅度稍有所增加.当高度角β和计算域入口风速v相同时，方位角α=90°时的碟式太阳能聚光器表面最大风压pmax为最大，方位角α=135°时的碟式太阳能聚光器最大风压pmax为最小，这主要是因为方位角α=90°时作用于碟式太阳能聚光器法向风载荷较大，而方位角α=135°时作用于碟式太阳能聚光器法向风载荷较小的缘故.
3结论
1）碟式太阳能聚光器表面中心区域存在最大风压区域，且随着风速的增大而不断增加，应适当提高碟式太阳能聚光器中心处的强度和刚度.
2）随着风速的增加，碟式太阳能聚光器的升力、阻力、侧向力和最大表面风压也随之增加，且最大表面风压增加幅度尤显明显，但是风力系数随风速变化甚微.
3）不考虑流固耦合作用时碟式太阳能聚光器的升力系数变化率ηL、阻力系数变化率ηD、侧向力系数变化率ηC和最大表面风压变化率ηp的最大值分别为19.6%，22.6%，25.5%和34.7%，其最小值分别为3.48%，2.73%，3.39%和15.5%.
4）碟式太阳能聚光器表面最大风压随高度角和方位角的变化复杂，高度角为0°，方位角为45°姿势时达到最大.
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聚光太阳能发电系统 篇3
目前我国的太阳能利用率处于较低水平,主要原因是太阳能密度低,照射到地面上的平均光强只有1 kW/m2,并且随着季节和天气因素的变化,更增强了太阳能利用的难度;我国现有的太阳能电池板的发展水平也限制了太阳能的利用率,目前,单晶体硅的太阳能转化率可以达到23%,多晶体硅可以达到16%,而薄膜的只能达到8%。这具有挑战性的难题是这次太阳能定位和跟踪系统设计的出发点。
为了克服太阳能量密度低的劣势,我们采用了带有定位与跟踪功能的太阳能电池板支架,利用电机传动带动电池板的两个自由度的旋转,尽量使每个时刻电池板都能垂直接收太阳能。跟踪功能的实现根本是定位,我们使用分辨率为640×320的CCD图像采集传感器,以至少0.2 s/幅的速度来拍摄参考物的太阳影子长度并与参考物的垂直投影作比较,精确地测量出当前太阳的偏转角度;通过高速的控制芯片,将得到的角度进行采集与处理,得到相应的控制角度与位移量。这样,定位的目的实现了,跟踪的效率自然就会大大提高。使用精度为1/10 000度的伺服电机与高精度涡轮蜗杆传动机构,使太阳能支架能自如的旋转,以最高的效率接受太阳能。
2 支架设计部分
在设计太阳能电池板支架的过程中,不仅要考虑到材料自身重量和惯性的因素,还要考虑到投入应用后,实际的自然条件的因素。大风是不可忽略的一个重要自然现象,在世界各个国家各个城市,全年都会刮起不同风速等级的大风。这就要求支架足够坚固,固定太阳能电池板的轴承足够稳定,足以承受大风所带来的力的作用。
为此,设计中把支架和电池板的连接处设计成如图1所示。即在电池板的距离较长的对应两侧中央安装轴承,带动电池板做上下方向的旋转。这样的设计使“点接触”扩大到“线接触”。又由于太阳能电池板的重量平均分布在中轴的两侧,因此大风对电机的影响会降到最低,在旋转过程中,风也会由于平均作用在了电池板的两侧而减少电池板的形变。
太阳能电池板左右方向的旋转由下面箱体中的伺服电机控制,如图2所示。角钢支架与电动机的连接也采用钢管与轴承的连接方式。钢管横截面与角钢支架水平焊接,钢管的直径与壁厚根据电池板,支架,电机,轴承的总重量而定,以稳定性好为原则。
控制左右方向旋转与上下方向旋转的伺服电机都密封在箱体里,主要考虑到雨雪天气里金属的传动机构不会有损害。
3 供电系统部分
太阳能光伏供电系统的基本工作原理是,在太阳光的照射下,将太阳能电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电,如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电,对于含有交流负载的光伏系统而言,还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式,但是其基本原理大同小异。
将太阳能电池与用电器连接,需要考虑的主要问题是:
(1)电压是否相同;
(2)功率是否匹配;
(3)电池的持续供电能力。
解决以上问题,有不同方案可以选择。比如太阳能电池电压问题,可以采用串联电池或者采用逆变电路、稳压电路来解决,功率问题可以采取选择适合电池板、并联电池等技术解决,太阳能电池不足之处在于由于太阳光照的不稳定性,导致工作可靠性较差,想要实现持续不间断输出,一般需要加装蓄电池,并需要与之相配套的充电电路和逆变输出电路。
太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220 V或110 V,按实际需要还可以配置逆变器。各部分的作用为:
(1)太阳能电池组件:太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分,也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
(2)太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
(3)蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。
在太阳能供电系统的安装过程中,有如下几个步骤:
(1)安装选址 这是安装太阳能电池板的重要步骤。在本项目中,拟给12号教学楼整体供电,故安装的最好选址是在教学楼楼顶,这样既有利于收集阳光能量,又不会给楼中的空间增加压力。
(2)计算每日耗电量 这个数据必须准确,以确保设计的太阳能发电量足够用于整个教学楼的发电,并且有一定的余量,以便在阴雨天气时能够利用储存在蓄电池里的多余电能。
(3)太阳能板的计算与安装 这一步骤涉及到的不仅是电力电子方面的计算,并且包括物理方面的计算,比如每一个太阳能板的尺寸,放置位置,太阳能板阵列的摆放面积,每一个太阳能电池板之间的尺寸等等,以及这些数据与能接收到太阳能量之间的关系。
(4)控制器的安装 目前,室内系统大部分使用12 V、24 V和48 V的直流太阳能系统。教学楼的用电量较大,太阳能板的总电流计算公式为:
太阳能板的总电流undefined
如果系统超过1 000 W,尽量采用双控制器,以便于检测发电状况和使用维护。因为太阳能板在发电的时候并不是始终处于最大电流和电压,所以在选控制器时可以按照40%～50%的电流来选择,就可以满足需求。
(5)蓄电池的安装 电池连接原则:与系统电压保持一致。
(6)逆变器的安装 逆变器是连接负载和电池的最后一个关键组件,也是最容易的。只需将逆变器的正负极连接到电池的正负极就可以。但逆变器的选择十分重要,分为方波和正弦波逆变器,虽然效果相同,但两者的价格却相差两倍以上。故此处使用正弦波逆变器,除了价格便宜外,正弦波逆变器不仅可以加载所有负载,而且不会对任何电器的使用寿命造成影响。但要确保使用电器功率的总和不能超过逆变器的容量。
4 总结
在本次聚光型光伏太阳能的定位与跟踪系统设计的过程中,遇到了许多大大小小的问题。比如传动系统的组装,既要为机械部分的维护与修理留出空间,又要将其设计的尽量小巧轻便,以便于搬运与维修;控制部分的程序调试;供电系统的实际安装等。
在设计与实现的过程中,我们充分体会到了设计的乐趣与解决问题后带来的巨大成就感。这次项目给我们的知识应用带了很大的提高,同时也教会了我们如何与队员合作最终完成任务。这些不仅在校园里,在将来工作的单位和企业中也是十分有用的经验。
摘要：在资源紧缺的今天,太阳能以它恒定的来源和高强的辐射能量,日渐成为资源利用的首要选择。聚光型光伏发电的基本原理是采用带有菲尼尔透镜的太阳能电池板,利用图像采集传感器,拍摄参照物的太阳影子长度,并以与垂直投影做出的比较测出太阳的偏转角度,通过高速控制芯片,根据对采集信息的分析,控制传动机构调节太阳能电池板的偏转角度,实现对太阳的定位和跟踪,从而实现太阳能的高效采集。
聚光太阳能发电系统 篇4
众多国内外学者对应用于不同场合的聚光集热系统进行了大量设计。K.Lovegrove,G.Burgess等[2]设计并建立了一个500m2的碟式聚光集热装置,由380块完全相同的1.17m×1.17m的球面镜拼装而成,聚光倍数为2 000倍以上。熊亚选、吴玉庭等[3]为10kW分布式太阳能热—电联供系统设计制造了大型的槽式太阳能聚光集热器,其光热转换效率超过60%。Tao Tao,Zheng Hongfei等设计的槽式太阳能聚光集热器采用多曲面聚焦,让经过上曲面未聚焦的光线转移到下曲面进行二次聚焦,使太阳能接收器受上下两面的聚焦加热,提高了接收器的效率。J.Llorente,J.Ballestrı´n等设计了一种新型太阳能菲涅尔反射聚光集热装置,该装置由864块15cm×12cm的镜面在9个环上镶嵌而成,当所有镜面均聚焦到同一点时,良好天气条件下吸热处的温度为1 500K。
本文提出一种模块化设计的聚光集热系统,以聚光器和集热器为设计对象,既可以充分利用普通菲涅尔透镜大聚光比的特点,又能得到低成本、高效率的聚光集热系统。
1 聚光集热模块描述
本文设计的聚光集热模块主要有3部分组成:菲涅尔透镜、腔式集热器和工质输送管。其结构如图1所示。
经菲涅尔透镜聚焦的光线进入腔式集热器内部后,通过在涂有吸收涂层的腔体内壁上多次反射吸收,由工质输送管内流动的冷工质将腔体内的热量带走,实现光—热转换。
2 聚光集热系统设计
2.1 等厚菲涅尔聚光器设计
本文所采用的等厚菲涅尔透镜中心为球面透镜,记作第1环,从中心向外依次为2,3,4,……,n环。由几何光学知识推导、整理后,可得平行光经中心球面透镜折射后在菲涅尔透镜焦平面上形成的焦斑半径为
式中:f为菲涅尔透镜的焦距,N为透镜材料的折射率,1r为中心球面透镜的半径,h为中心球面透镜高度。
如图2所示为太阳光垂直入射到透镜的平面一侧时的光路图。
设第n环棱镜的宽度为bn,第n-1环的宽度为bn-1,则由几何关系,得:
式中:αn为第n环棱镜倾角;rn为第n环的中心半径;h为棱镜的高度;N为透镜材料的折射率;f为透镜焦距。其中,透镜材料的折射率N已知,f、h由设计要求给出,因此,当第n-1环的参数知道后,就可以算出第n环的相关参数,完成等厚菲涅尔透镜外环设计。
目前高倍聚光菲涅尔透镜设计时焦径比一般设定为1.2。现将等厚菲涅尔透镜的参数确定如下:大小为520mm×520mm,焦距为f=620mm,厚度为2.5mm(其中棱镜高度为h=0.5mm),聚光倍数为1000倍以上,聚光效率不低于85%,光斑在直径Φ25mm的范围以内,折射率为N=1.411 1。根据式(2),利用MATLAB软件编程计算,结果显示该菲涅尔透镜共有421环。
2.2 腔式集热器设计
腔式集热器由3部分组成:双曲线、半圆和半椭圆。曲线方程如下:
将上述方程得到的曲线集合在一起并封口,可得到腔式集热器的几何结构,利用Solid Works进行方程式驱动建模,得到集热器模型,其中集热器整体高为220mm,壁厚为2mm,如图3所示。
2.3 聚光集热模块设计
如图4所示,聚光集热模块主要由等厚菲涅尔透镜、腔式集热器、热交换管和连接管等组成。
3 聚光集热系统仿真分析
选定530nm为模拟光线的主波长(材料折射率Nλ=530=1.4111),模拟光源采用垂直于发光表面出射,模拟太阳光源强度为1kW/cm2,入射光线条数为50万条,在距离透镜f=620mm处放置腔式集热器,通过Trace Pro进行模拟,得到图5所示的辐照度分布图。
结果显示,腔体内壁面对入射光辐射吸收的分布情况为:椭圆腔体部分占88%,圆和双曲线腔体部分总共占6.9%,其他损失占5.1%,其中绝大部分损失是由于“颈部”光强较大导致的辐射热损失。总的来说,集热器的热效率在85%以上且光学性能和热性能良好。
图6所示为工质在输送管内的模拟流速分布图。从模拟结果可以看出,传热工质在腔式集热器椭球下部附近流速较快,可快速将腔式集热器椭圆部分“蜗居”的热量带走,防止集热器局部高温造成热损失。
4 结论
本文设计了一种新型的模块化太阳能聚光集热系统,其核心部件是等厚菲涅尔透镜和腔式集热器。经模拟仿真,在理想情况下,聚光器聚光比大于2 000且光学效率达到91.298%;腔式集热器热效率在85%以上且热性能良好;同时,输送管内传热工质热传递效果良好,既可将集热器椭球部分的聚集热量快速带走,又能充分保证其他部分与工质的热传递接触时长。
参考文献
[1]陈德明,徐刚.太阳能热利用技术概况[J].物理,2007,36(11):840-846.
[2]K.Lovegrove,G.Burgess,J.Pye.A new 500 m2paraboloidal dish solar concentrator[J].Solar Energy,2011,85:620-626.
聚光太阳能发电系统 篇5
聚光式太阳能光热发电系统包括反射镜、集热器、扭矩管、中间支撑、末端支撑、集热器驱动系统、支撑臂。其中集热器驱动为液压驱动单元, 该液压单元具有2 个油缸, 在预期的方向驱动支撑活动臂, 带动集热器从日出到日落跟踪太阳, 每个集热器在其日常跟踪太阳围绕2 个液压缸驱动的旋转轴旋转, 通过活动臂传递转矩, 该系统设计是集热器从-22° (东方地平线以下) 到最大180° (及2.5°西方地平线以上) 的位置自由移动。
1 集热器液压驱动系统运行条件
集热器在运行行过程中集热器的重心与轴心处于重合的位置。所以, 无风的状态下, 集热器的负载转矩极小。以某参考项目为例, 最大运行风速是14 m/s。然而结构必须能够承受集热器到驻留位置时的风速。因此基础必须承受经过防风墙之后20 m/s风速产生的力, 在防风墙之前风速为39 m/s, 具体如表1 所示。
集热器旋转中心距离地面竖直高度为 (3225±2) mm;集热管与集热器旋转中心之间距离为1551 mm;驱动支架水平截面长 (东西方向) ×宽 (南北方向) 尺寸约为910mm×860 mm。
2 集热器液压驱动系统设计方案
集热器液压驱动系统运行过程见图1。集热器液压驱动系统原理见图2。
集热器液压驱动系统由供油装置、2 个液压油缸、控制块组件三部分组成。
1) 供油装置。系统压力:14~19 MPa, 液压系统齿轮泵间歇运行, 日常运行主要由蓄能器释放能量。系统压力14 MPa时, 压力开关PS1 触发, 泵启动。系统压力上升到19 MPa时, 压力开关PS2 触发, 泵断电停止, 并配备有加热器, 当温度低于4 ℃时, 启动加热器给油升温;配有空气滤芯器、液位计、放油阀、安全阀、泵出口滤芯、压力开关、蓄能器及压力表等。
2) 液压油缸。液压缸行程L=860.2 mm;缸径D=150 mm, R=75 mm;活塞杆径d=80 mm, r=40 mm。
无杆腔最大体积
有杆腔最大体积
总体积 (完成一次-30°~210°总用油量) V=V1+V2=0.025 23 m3=25.23L。
最大范围快速运行要求时间 (最大行程) 为15 min。
流量Q=V/t=25.23/15=1.682 L/min=1682 m L/min, 无杆腔最小输出力F1=P×S=14×0.0177×1 000 000=247 275N, 有杆腔最小输出力F2=P×S=14×0.0126×1 000 000=176 939 N。
3) 控制块组件。控制块组件由三位四通电磁阀和平衡阀组成。
3 结论
通过以上的分析, 对集热器液压驱动系统有了一定的了解, 为后续集热器液压驱动系统的国产化研究具有重要的意义。
摘要：可再生能源是指原材料可以再生的能源, 如水力发电、风力发电、太阳能、生物能 (沼气) 、海潮能这些能源, 文中介绍了太阳能光热发电集热器液压驱动系统的运行条件和设计方案。
关键词：清洁能源,太阳能,聚光式,集热器驱动
参考文献
太阳能聚光应用聚光倍数上限探讨 篇6
太阳能以其清洁、无资源地域限制、对人类来说永无枯竭等优良特性越来越受到人们的青睐。其中太阳能光伏利用———太阳光通过光伏器件直接转换成电能的技术尤其引人注目。但, 由于光伏系统中的关键器件光伏电池价格昂贵致使现阶段其发电成本较常规电力成本高出数倍, 因此光伏技术还没有迎来大规模应用的时代。
在目前的情况下, 降低光伏发电成本的有效途径之一就是聚光应用。即将太阳光汇聚起来, 再投射到光伏电池上, 以较少的电池发出与聚光器入射面积相当的电力。采用聚光的方法, 用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的光伏电池, 使其在经济上具有优越性。
1. 聚光倍数定义
1.1 几何聚光倍数 (Cg)
聚光器的入射孔径面积 (Aa) 与靶有效面积 (At) 之比, Aa/At。
1.2 实际聚光倍数 (Ca)
因为光学元件存在着不可避免的缺陷和光损失, 所以, 实际可达到的聚光倍数 (Ca) 总要小于几何聚光倍数。光学系统的完善程度可用它的光学效率 (ηo) 表示, 因此实际的聚光倍数可以表示为:Ca=ηoCg。根据入射到孔径和靶平面所确定的实际聚光倍数, 也可以定义为入射到靶平面上的太阳强度 (St) 与入射到入射孔径上的太阳强度 (Sa) 之比:Ca=St/Sa。实际上对Ca的测定是相当困难的。
2. 聚光倍数有上限吗
按照经典几何光学, 平行的太阳光在光轴方向上通过理想聚光透镜将在其焦点处汇聚成一点, 如果我们在焦点处放置一太阳接收器 (既靶材) , 按照几何聚光倍数的定义, 此时的聚光倍数将是无穷大。
如果在焦点处的太阳接收器是理想的黑体, 则该接收器的温度将上升到无穷高。那么将会出现低温的太阳 (太阳表面温度6000K左右) 向高温的接收器 (+∞K) 辐射净能量的情况, 显然这是违背热力学第二定律的。
3. 太阳张角
问题出在了太阳光是平行光的假设上。由于太阳到地球的距离很远, 当太阳光到达地球时可以近似认为是平行光, 但在研究聚光上限的模型中这个假设将不符合实际情况。尽管太阳距离地球很远, 但对地球来说, 太阳并非点光源, 而是日轮。所以对地球上的任意一点, 入射的太阳光之间具有一个很小的夹角2δ, 通常称之为太阳张角。
已知太阳的直径 (2r) 为1.39×106k M, 地球与太阳之间的平均距离 (R) 为1.5×108k M, 根据下图的几何关系, 求得太阳半张角δ为
事实上, 在地球上用透镜将太阳光汇聚起来的时候, 会在透镜的焦距处成一个太阳的像, 而不是想象的一个点。因此, 聚光倍数是有上限的。推导如下, 如图所示, R为日地平均距离, r为太阳半径;δ为太阳半张角;聚光器的开口面积为Aa, 靶材面积为At。进入Aa的太阳辐射为
若吸收器为理想黑体, 发射的能量为
式中F为靶材对太阳的形状因子。
当Te和To相同时, 根据能量守恒, Qe应和Qo相等, 即
形状因子F最大为1, 因而二维聚光倍数的理论最大值为
由此, 对于2维聚光, 有:倍
对于1维聚光, 有:
5. 影响实际聚光倍数的因素
上面分析的都是理想状况下的聚光倍数极限值, 实际的聚光系统中, 由于光学元件存在着不可避免的缺陷, 所以, 实际可达到的聚光倍数总要小于该值。
影响实际聚光倍数的因素有如下几点:
5.1 太阳光传递过程的损失
太阳光传递到聚光系统的接收面时, 经过沿途诸如空气等干扰因素的消减, 因此聚光系统实际聚光倍数不可能达到理论上限值。
5.2 光学系统的不精确
加工工艺的限制使得我们实际不可能得到理想聚光光学系统, 主要表现在以下几个方面:1) 设计的光学系统无法生产;2) 加工误差;3) 经济性。上述因素都会使得聚光光学系统的实际聚光倍数小于理论上限值。
5.3 光学系统的接收角度
在理论聚光倍数上限的情况下, 聚光系统的阳光接收角度 (视场角) 是0.534度 (太阳张角) , 就是说从以该角度为顶角的圆锥体范围外的光线通过光学系统是无法直接到达靶材的。为了降低对跟踪系统的要求常将聚光系统的阳光接收角度设计的比太阳张角要大。因此实际聚光倍数也随之降低。
5.4 对于成像聚光器的焦径比
对于成像聚光器, 由透镜光学可知太阳的像d≈2Fsin (2δ) , 根据几何聚光倍数的定义可知
其中, f是透镜焦距F与直径D的比, 即焦径比。
由此可知成像光学器件的焦径比也决定了聚光系统实际能够达到的聚光倍数。
5.5 聚光系统的色散
太阳光不是单色光, 经过折射式光学元件后会出现色散效应, 而该效应将使太阳像变大, 因此也将降低实际聚光倍数。
摘要：本文介绍了太阳能聚光应用、聚光倍数的相关定义及推导过程。通过推导得出一维聚光倍数上限大约为214.6倍;二维聚光倍数上限大约为46049.6倍。并介绍了影响实际聚光倍数的因素。
关键词：聚光,聚光倍数,太阳能,光伏,光学
参考文献
[1]郭廷玮, 刘鉴民, M.Daguenet.太阳能的利用[M].北京:科学技术文献出版社, 1987.2.
[2] (美) 劳申巴赫 (Rauschenbach, H.S.) .太阳电池阵设计手册[M].北京:宇航出版社.1987.
[3] (美) 胡晨明, (美) 怀特 (White, R.M.) .太阳电池[M].北京:北京大学出版社, 1990.1.
槽式太阳能聚光器结构特性研究 篇7
太阳能作为一种新能源其利用形式主要有三种:光—热转换、光—电转换、光—化学转换。其中以光—热转换为主的槽式太阳能电站已经是技术发展最为成熟的一种,目前槽式太阳能热发电系统是唯一可以实现商业化运作的系统,其投资成本相对较低,在白天用电高峰时可以提供稳定的电能。因此,槽式太阳能热发电系统的发展必将具有十分广阔的前景。
西方国家对太阳能的利用较早,在1985～1991年间美国鲁兹公司先后建立了9座槽式太阳能热发电站,总装机容量达到了354 MW。其中最为典型的是80 MW装机容量的SEGSVII电站,主要特征为:槽式抛物面反射镜东西放置,采用单轴跟踪技术。真空管集热器的直径为70 mm的不锈钢管装在直径为115 mm的圆柱形玻璃套内。不锈钢管外壁涂有高温选择性吸收涂层,玻璃管内抽成真空,以减少热量的流失。南京春晖科技实业有限公司和河海大学新材料新能源开发研究所联合组成攻关小组,在太阳能热发电领域的槽式抛物面反射镜、槽式太阳能接收器研究方面取得了一定的进展。
为了实现槽式太阳能热发电站的进一步推广与应用,需要进一步降低发电成本,提高太阳能利用率。因此,需要对聚光器的聚光比与支架的变形进行研究,通过研究支架变形前后与聚光比的关系,提出支架优化结构形式。目前国内外许多学者对支架的结构进行了研究与优化,Schlaich等人开发了新一代的槽式抛物面聚光器,对聚光器进行了优化设计,设计后的支架零件数量较少,质量减轻。Solargenix公司开发了全铝框架的槽式抛物面太阳能聚光器。重庆大学机械传动国家重点实验室对聚光器的结构进行了优化,并测试了聚光器在不同条件下的运行数据,支架优化后的质量明显减轻。南京工业大学机械与动力学院模拟了支架在不同风速、不同角度下的运行结果,并对优化后的聚光特性进行了分析。帅永等运用蒙特卡洛射线法研究了槽式和碟式两种抛物面集热器的焦距、边界角之间的关系;yang等应用蒙特卡罗光线追踪法模拟了抛物面槽式系统的聚光特性,获得了较高的精度。
1 槽式太阳能热发电系统简介
槽式太阳能热发电站由六大子系统组成分别是:太阳辐射热能采集系统(镜场)、热交换系统、补充能源系统、汽轮机系统、发电机系统和输配电系统。其中太阳辐射热能采集系统由支架、反光镜、集热器等组成。聚光器占整个槽式太阳能热发电的发电成本的40%以上,因此,降低发电成本成了当务之急,其中有效途径之一就是采用合理的聚光系统。聚光系统应使用合理的支架结构形式,有效控制反射镜面和支架的变形,提高太阳能辐射的利用率,这将对降低聚光槽式热发电的成本有着十分重要的意义。
由于太阳辐射的能量密度较低,要想得到较高的集热温度,必须通过聚光手段来实现。槽式太阳能热发电聚光器,将太阳光汇聚形成高能量密度的光束。首先太阳光经镜面反射到集热器上,通过集热器加热管内的传热工质(油或者水),被加热的工质通过热交换器产生过热蒸汽,过热蒸汽推动汽轮机发电(图1)。
目前在聚光器中主要使用的支架形式有扭矩盒式支架、扭管式支架和间隙式。扭矩盒式支架的核心部分是底部的一个盒子状的结构,用来给抛物面镜的悬臂提供支撑。扭矩盒式支架制作简单、安装方便、质量较轻、变形较小,能够承载静负载和风载的能力(支架结构如图2所示)。在工作过程中降低了支架结构的弯曲变形,从而具有较高的光学性能。
2 槽形抛物面聚光器
抛物线是唯一可将平行光聚焦于一点的型线。槽形抛物面的光孔就是槽的开口宽度,其大小决定了聚光器输入的总能量,其焦距的距离决定了太阳像的大小,在聚光系统的焦平面上,像的能量密度和光孔宽度以及焦距大小密切相关。抛物面聚光器的聚光比,主要决定于相对光孔,并与接收器的形状也有一定关系。
几何聚光比表示聚光接收器接收的阳光开口面积与吸热管表面积的比值。太阳辐射经光孔进入聚光器,由反射面将其聚焦到接收器。一般来说聚光器的聚光比越高,则聚焦中心达到的最高温度就越高。
槽形抛物面聚光器光孔宽度设为b,槽长为l,聚光集热器的即热效率为η,单台集热器可获得的有用能量收益为q(图3)。则:
q=ηblI (1)
其中:I为太阳直射辐射强度(kW/m2),bl为抛物面聚光器的光孔面积。
能量聚光比是聚焦到接收器上的平均太阳辐射能对入射太阳辐射能的比值。若投射到光孔上的入射太阳辐射能为I,由于镜面存在误差,导致最终汇聚到接收器上的平均太阳辐射能降低为IR。
则 CE=IR/I (2)
式中:CE为能量聚光比,I为投射到光孔上的入射太阳辐射能,IR为最终汇聚到接收器上的平均太阳辐射能。
理想聚光器聚光比的公式为:
C=Aa/Ar (3)
式中:Aa为光孔面积,Ar为接收器的面积;
若令光孔面积Aa→∞,接收器的面积Ar→0,则有 C→∞。
聚光器光孔的半采光角为Ф,则聚光器的最大采光角为2Фmax,在该角度内投射到光孔上的太阳辐射,能够完全被接收器接收。即聚光器线聚焦的最大聚光比为
Cmax=1/sinφmax。 (4)
3 矩形扭矩盒式聚光器支架受力分析
随着槽式太阳能热发电的商业运行,各国都意识到太阳能聚光器对太阳辐射利用的重要性,对太阳能聚光技术进行了研究,研究人员对支架的结构进行了改进。20世纪90年代,Schlaich等人开发了抛物槽式聚光器,该聚光器在结构上增加了矩形扭矩盒。扭矩盒是通过焊接和螺钉连接起来的金属结构,中间有一个正方形十字交叉部件,这种支架零件数量较少,安装维护方便。
聚光器是太阳能热发电系统中的关键部分,反射镜安装在支架上,入射光经反射镜反射后到达接收器。反射镜的安装直接影响太阳能的利用率,因此,支架在运行过程中要有足够的刚度和良好的抗疲劳能力;支架质量尽量减轻传动容易、能耗小制造成本低,能够长期稳定运行。
支架设计要求为:1) 正常工作最大风速为6级风,可抵御8级风;2) 在有相关措施的情况下,10级风以下具有不损坏反射镜的功能;3) 支架在自重和风载的条件下变形要小。
通过对支架的分析从图4可以看到,支架的应力主要集中在两边的斜支撑上面,特别是在支架的端部。从图5可以看出支架由于承受自身质量和外载荷、风载等,支架变形明显,支架端部变形位移较大,结合表1从结构参数可以看出支架变形后严重影响了聚光器的聚光比。图6对支架的一些参数进行了敏感度分析,从图中可以看出,该参数对支架的影响为线性关系,图7是单个支架的结构示意图。从表1可以看出优化后的支架聚光比变大,开口宽度变大,焦距变小。这都有利于提高支架的聚光比,符合支架优化的要求。
4 反射式聚光器设计
槽型抛物面聚光器的焦距尺寸决定了聚光器的焦线位置,由此决定了抛物面的加工型线,接收器为圆管的槽形抛物面聚光集热器,其集热管存在一个最佳直径尺寸(Dmin),能够完全接收来自反射镜的反射光线。如果集热管的直径D<Dmin,则会出现漏光现象,即集热管只能接收到一部分太阳反射光。
理想光学系统,在镜面没有加工误差和跟踪系统准确的情况下,求太阳反射光线完全落到接收器上的平均光线长度Rn,
Rn的平均值为
对式(4)进行积分运算求的平均光迹长度。
式中,m为聚光器的相对光孔宽度, f为聚光器的焦距,对式(5)是进行求导得当m=4√3 时聚光器的最大采光角为 φmax=120o,这表明抛物面的焦点落在聚光器光孔平面以内。
聚光太阳能集热器有聚光器和接收器组成。聚光器一般由反射镜或透镜组成,主要有抛物面式反射镜、菲涅尔式透镜、菲涅尔式反射镜等。聚光器主要有圆形接收器和抛物槽式聚光器等,其中抛物槽接收器已经在电站实际应用。
槽型抛物面聚光器,太阳辐射从镜面顶点和镜面边缘点(xn,yn)反射出去的光线到达焦点出的尺寸分别为W和W/.从镜面顶点到边缘点的全部镜面反射辐射均可落到接收器上,接收器的长短轴分别为:
W=2ftanδs (9)
式中:W/和W分别为聚光器的长轴和短轴,xn为镜面边缘上的一点,f为聚光器的焦距,δs为圆面张角,θ为边界角。
当W/>W在满足上述条件时,太阳光从各个点反射出去的光线完全能够落在抛物面接收器上的条件下,槽式抛物面聚光集热器集热管的形状可以为圆形、椭圆形和橄榄形。
5 结论
1) 优化后支架的焦距明显变小,开口宽度变大,采光口面积变大,聚光比增大,提高了太阳辐射的利用率。支架变形更小,为进一步分析聚光器的光学性能分析提供了条件。2) 通过对支架进行优化,支架的材料减少,同时满足了支架的强度和刚度要求,使支架更容易运输、安装维护。3) 支架变形后,开口宽度变大,焦距变小,可能会发生反射光有一部分被集热光吸收,有一部分偏出,可以通过对优化后支架的开口宽度与焦距重新设计集热管的直径,使设计的集热管能够完全接受来自反射镜的光线,从而充分利用了太阳能辐射。
参考文献
[1]陈于平.聚光太阳能发电技术应用与前景[J].重庆三峡水利电力集团,2010,(07).
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[6]王军,张耀明,张文进,等.太阳能热发电系列文章(10)槽式太阳能热发电中的聚光集热器[J].河海大学学报,南京中材天成新能源有限公司,2007,(04).
[7]韦彪,朱天宇.槽式太阳能集热器的传热特性研究[J].河海大学,动力工程学报,2011,(05).
[8]徐显波.抛物槽式太阳能集热系统的应用与研究[J].兰州理工大学学报,2010,(05).
三结聚光太阳能电池的建模与仿真 篇8
关键词：三结聚光太阳能电池,MATLAB仿真,输出特性
1 概述
21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪, 由于传统能源 (如, 煤、石油、天然气等) 的供给已出现严重短缺局面, 人类开始将目光转向可再生能源的发展。大规模地开发利用可再生洁净能源, 以资源无限清洁干净可再生能源为主的多样性的能源结构代替以资源有限污染严重的石化能源为主的能源结构已成为人们关注的焦点。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源, 与其他新能源相比利用, 是比较理想的可再生能源[1]。
太阳能作为存储量大的清洁能源备受世界各国关注, 众多国家已经将光伏发电列为其发展的重点目标[2]。三结聚光太阳能电池作为光伏发电的转换器件, 其转换效率和不同使用条件下的输出特性引起了世界范围内众多研究者的关注。通过相应的软件对三结聚光太阳能电池的等效电路模型进行仿真, 可以得到太阳能电池在不同使用环境下的输出情况, 从而为光伏发电的应用做出预测和指导。
本文仿真是基于Spectrolab公司生产的CIMJ三结聚光太阳能电池, 其子三结材料分别是In Ga P、In Ga As和Ge。CIMJ三结电池的底、中、顶禁带宽度分别为0.68 e V、1.39 e V和1.79e V, 将三种材料串联可以吸收从短波到长波段的太阳光谱能量 (200~2000 nm) 。实验表明Spectrolab公司生产的三结聚光太阳能电池的最高转换效率高达40.7%, 明显高于其他类型的太阳能电池[3]。
本文利用MATLAB软件对三结C1MJ太阳能电池的等效电路模型进行仿真, 得到在不同输入条件下的太阳能电池输出特性, 从而为三结聚光太阳能电池的应用做出预测和指导。
2 太阳能光伏电池的等效电路模型
如图1所示, 为单结太阳能光伏电池的等效电路模型, 其中ILG为电流源, Id为流经二极管的暗电流, Rsh, 和Rs, 别为单结电池的并联电阻和串联电阻, RL为负载电阻, V和I分别为太阳能电池的输出电压和输出电流。
由该等效电路模型和二极管输出特性可以得到以下三式:
式中, Kb是玻尔兹曼常数, n是二极管影响因子, IO为二极管反向饱和电流。
将 (1) (2) 代入公式 (3) , 又因为电流I与电流密度J满足关系式:I=A×J, 其中A是电池面积。则公式 (3) 可改写为:
其中, Jsc是短路电流密度, Jo是二极管反向饱和电流密度, JL是负载电流密度。Jo随温度变化的表达式如公式 (5) 所示:
其中, κ和γ是和材料有关的常数, γ一般介于0到2之间, Eg为子结电池的禁带宽度。当RSh趋向于无穷大时, 公式 (4) 可以简化为:
将公式 (6) 改写成电压随电流变化的函数, 得到:
公式 (7) 即为单子结电池的电压电流密度函数表达式。当三子结电池串联时, 则对于整个聚光太阳能电池有:
式中, 为三子结串联电阻之和。
公式 (8) 中各变量具体参数设定如表1和表2所示。
3 仿真结果分析
3.1 串联电阻对光伏电池输出特性的影响
在环境温度为15℃, 串联电阻阻值Rs分别为0.023Ω, 0.01Ω, 0.0023Ω时, 光伏太阳能电池的电压-电流 (U-I) , 电压-功率 (U-P) 关系曲线如图2所示。由于太阳能电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率, 当工作电流流经太阳能电池时必然会引起电池板内部的串联损耗, 故引入串联电阻Rs。理论上, 串联电阻越大, 线路损耗越大, 光伏电池的输出功率就会越低, 从而导致输出效率的降低;反之, 串联电阻越小, 线路损耗越小, 光伏电池的输出功率将增加, 输出功率会增大。
在环境温度相同时, 串联电阻阻值下降, 光伏电池开路电压上升, 短路电流有所减少, 最大输出功率也增加。串联电阻阻值越小, 则反映到太阳能电池的U-I特性曲线上的是:曲线越接近正方形;串联电阻阻值越小, 反映到太阳能电池的U-P特性曲线上的是:曲线越接近直角三角形。此时太阳能电池可以实现较高的转换效率。
3.2 环境温度对光伏电池输出特性的影响
在串联电阻Rs为0.023, 环境温度T分别为15℃, 25℃, 35℃时光伏太阳能电池的U-I、U-P关系曲线如图3所示。半导体材料最重要的物理属性是随着温度的变化:温度升高, 禁带宽度降低, 而少数载流子的寿命增加, 温度升高同样会导致太阳能电池p-n结内部的电势电压降低, 并且p-n结对自由电子和空穴的分离能力也下降。理论上, 温度升高, 光伏电池的输出功率将减小;反之, 温度下降, 光伏电池的输出功率将增大。
在串联电阻阻值相同时, 随着温度上升, 光伏电池开路电压下降, 短路电流有所增加, 最大输出功率也减小。这是由于温度升高的时候, 开路电压下降很厉害, 其幅度比短路电流升高的幅度要大, 所以在温度升高的时候, 其总输出功率是下降的, 因为P=UI, U降幅较大, 而I升幅较小。
3.3 聚光强度对光伏电池输出特性的影响
太阳光通过聚光器然后再投射到聚光太阳能电池上, 这样多结聚光太阳能电池可以吸收太阳光的实际面积将远远地大于电池本身的面积。为了仿真不通过聚光情况下多结聚光太阳能电池的输出特性, 先定义聚光比C如式 (9) :
其中, JSC (1sun) 表示三结聚光太阳能电池在非聚光即常规状态下的整体输出电流密度。
在串联电阻Rs为0.023Ω, 环境温度T为15℃, 聚光倍数C=1, C=2, C=3时, 光伏太阳能电池的U-I, U-P关系曲线如图4所示。日照强度的大小直接影响太阳能光伏电池输出电能的多少, 日照强度强, 光伏电池的输出功率就越大;反之, 输出功率就越小。由于光生电流Iph受日照强度影响比较大, 而且与日照强度成正比例关系, 因此, 我们可以改变Iph值来等效地模拟不同日照强度下光伏电池的输出特性曲线及输出功率曲线。串联电阻和环境温度相同时, 随着光照强度的增加, 开路电压几乎不变, 短路电流有所增加, 最大功率也有所增加。光照强度越大, 光伏电池的输出电能就越大。
4 结语
本文通过分析太阳能电池板的工作原理, 建立其电路的数学模型, 利用MATLAB软件对太阳能电池的等效电路模型进行仿真, 得到在不同输入条件下的太阳能电池输出特性, 从而为三结聚光太阳能电池的应用做出预测和指导。
参考文献
[1]吴新江.基于Matlab_Simulink的聚光太阳能电池仿真[D].武汉:武汉理工大学.
[2]翟艳烁, 马林生, 赵全香, 等.太阳能光伏电池的建模与仿真[J].电气开关, 2012 (3) :35-37.