聚光太阳电池（精选8篇）
聚光太阳电池 篇1
1 引言
聚光太阳能电池是降低太阳能电池系统整体造价的一种措施。它通过聚光器使较大面积的阳光汇聚在一个较小的范围内,加大光强,克服太阳辐射能流密度低的缺陷,提高光电转换效率,因此可以用较小面积的太阳能电池获得较高的电能输出。
由Spectrolab开发的GaInP/GaAs/Ge电池,在66个太阳光强下效率达到35.2%,聚光电池的最高效率普遍高于非聚光电池[1]。Spectrolab在2003年7月25日公布的地面聚光电池的效率更是高达36.9%[2]。近年来,日本、美国等国企业纷纷展示新型太阳能光伏发电系统。夏普公司利用镜头将太阳光会聚在超高效太阳能电池上,其超高效太阳能电池能效是目前硅电池的2倍。美国能源设备公司Solfocus也推出一种新的聚光器,在新的聚光系统下,太阳光聚光能力将是原来的500-700倍,可将发电能力提高几十倍甚至几百倍[3]。
2 聚光器的分类
用于聚光太阳能电池方阵的聚光器种类很多,以光学原理的不同可分为折射聚光器、反射聚光器、荧光聚光器、热光伏聚光器和全息聚光器等。其中以折射聚光器和反射聚光器应用较为广泛。折射聚光器的元件可以是菲涅尔或普通透镜,反射聚光器包括平板、抛物槽、组合抛物面等。
3 聚光器结构的改进
为了进一步提高光转换效率,提高电能的输出,在相关专利文献中,申请人基于现有技术中的聚光器结构,对其进行相应地改进,提出了更高效的太阳能聚光器结构。下文主要从两方面对聚光器结构的改进进行总结:第一方面:对以菲涅尔透镜为基本聚光元件的聚光器结构进行改进,提高太阳能电池的聚光能力,进而提升光电转换效率,如专利文件:CN101814864A、CN101965645A和CN102282429A;第二方面:对以平板、抛物槽、组合抛物面为基本聚光元件的聚光器结构进行改进,以提高太阳能电池聚光能力、提升光电转换效率,如专利文件:CN101660845A、CN103134204A和CN201466043U。
公开号CN101814864A的专利文献公开了一种带有聚光器的光伏组件。如图1所示,聚光器包括至少一个第一光入射面聚焦光学元件3和至少一个第二光学元件5,第二光学元件5位于第一光入射面光学元件3的下游和太阳能电池7的上游,在光伏器件的工作位置,即当其对准日光入射方向时,经由第一光学元件3聚光的日光辐射落到第二光学元件5上。第一光学元件3可以是菲涅尔透镜,也可以是弯曲的抛物面;第二光学元件5可以是光管。
公开号CN101965645A的申请公开了一种光伏电池组件,通过其中的聚光单元实现了高倍聚光。如图2所示,聚光单元包括:固定在电池单元接收器上的筒状的第一聚光部,其截面面积从下端到上端以第一倾斜角度增加;及从第一聚光部向透镜方向延伸的第二聚光部,其截面面积以比第一倾斜角度大的第二倾斜角增加。以菲涅尔透镜的光轴为基准,第二聚光部张开的角度相比第一聚光部更大。透镜的焦点位于第一聚光部及第二聚光部的分界面上。
公开号CN102282429A的专利文献公开了一种科勒集成太阳能聚光器,该聚光器是最先将科勒积分器非平面阵列与聚光光学元件相结合的。如图3所示,透镜光栅10包括两个折射离轴表面、基本光学元件11(POE)、第二光学元件12(SOE)以及发光电池13。光科勒聚光器是数个透镜光栅对的组合,具有用点虚线示出的共同旋转轴14,实线15限定空间边缘光束,虚线16限定角度边缘光束。
光科勒概念已经被应用到使用TIR-R聚光器的CPV系统中以及两镜卡塞格伦型反射聚光器。
公开号CN101660845A的专利文献公开了一种复合曲面二次反射聚光集热器。如图4所示,聚光集热器中的集热管1位于复合抛物面二级反射镜5内部,复合抛物面二级反射镜5位于复合圆弧一级反射镜4的上方并且复合抛物面二级反射镜5的镜面开口朝向复合圆弧一级反射镜4,平面一级反射镜2位于复合抛物面二级反射镜5的正上方,折平面二级反射镜3与复合圆弧一级反射镜4连接。落到复合圆弧一级反射镜4上的光经反射汇聚到复合抛物面二级反射镜5内,使得进入复合抛物面二级反射镜5的光线与轴夹角小于最大接受角,这样最后所有的光线都到达集热管上。
公开号CN103134204A的专利文献公开了一种太阳能热发电的光学系统,其中采用多种光学组件进行复合式聚光,形成一种高效的光学集热系统。如图5所示,复合式聚光结构将两个平面反射镜2的一端对称连接在复合抛物面型聚光器1底部开口处,且以一个预设的小倾斜角连接,平面反射镜2的另一端与底部抛物面聚光器3通过连接器5连接起来,太阳能高温集热器4设置在两个平面反射镜2和底部抛物面聚光器3围成的空腔中央。两个平面反射镜2的一端对称连接在复合抛物面型聚光器1底部开口处,与复合抛物面型聚光器1中心线有一小的倾斜角度,具有二次光学反射作用,同时使得底部腔体扩大,可适当采用面积较大的太阳能高温集热器4,增大集热效果;底部抛物面聚光器3焦点与复合抛物面型聚光器1的焦点的镜像点重合,太阳能高温集热器位于该焦点处,能更有效的进行集热。底部抛物面聚光器3与平面反射镜2之间用连接器5进行连接,外部用高温真空隔热材料6封闭,保持腔体内部温度,降低散热。
公告号CN201466043U的专利文献公开了一种太阳能聚光光伏组件,通过CPC聚光反射装置,不需要跟踪太阳,最多只需要随季节作稍许调整,便可聚光,获得最佳能量接收。该CPC聚光反射装置如图6所示,包括上复合抛物面反射板31和下复合抛物面反射板32,上复合抛物面反射板31和下复合抛物面反射板32的反射弧面相对,太阳能电池片2设置在上复合抛物面反射板31和下复合抛物面反射板32之间。
4 总结
本文基于目前公开的中国专利申请,简述了聚光器结构的种类及改进。作为提高太阳能电池光电转换效率的重要手段,改进聚光器结构的热点在于提高太阳光汇聚量。同时,在保证较高转换效率的前提下,如何进一步降低成本也是目前发展的一个方向。
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聚光太阳电池 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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太阳能聚光应用聚光倍数上限探讨 篇3
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.
三结聚光太阳能电池的建模与仿真 篇4
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.
槽式太阳能聚光器结构特性研究 篇5
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
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浅谈聚光型太阳能热电联产系统 篇6
1 光伏热电联产背景
光伏发电作为一种应用广泛的可再生能源利用方式,一直都是世界各国重点研究的方向。而现在国内外主要的光伏发电组件还是单晶硅、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜电池,虽然这些技术发展较为成熟,系统的成本也比较低,但是它们的光电转换效率提升的潜力不够,单晶硅太阳能电池的转化效率为19%,而第三代的多晶硅太阳能电池效率18%左右。因此,由高效的聚光光伏组件组成的聚光型太阳能热电联产系统逐渐成为国内外研究的焦点。
聚光型太阳能热电联产系统具有输出电功率密度高,稳定性好,可靠高效等特点。国内相关的研究多集中在一些高等院校的实验室,近两年才有少量企业开发相关的装置。光伏-太阳能热泵系统通过热泵循环,稳定了太阳能光热转换的输出温度,同时维持光伏板在较低的工作温度下工作,提高了光电转换效率。 厦门多科莫太阳能科技有限公司于2010年开发了PV/T相关的一些系统,采用的是反射镜聚光的方式,聚光比较低,仅为5左右,光伏电池板与换热装置是叠层结构,最高可提供50℃的热水,整个系统的太阳能利用效率约45%,造价约20元/W。
2 光伏热电联产技术
光伏热电联产技术分为非聚光型和聚光型。非聚光型热电联产系统的供热密度通常是低于800W/m2,温度不超过40℃,只能用于居民热水供应或热泵式空调。同时,为了保证供热功率,换热器的面积较大,成本相应较高。聚光型热电联产系统由于高聚光比(可以达到500倍以上)的效果,热流密度可以达到数百千瓦以上,适用范围更加广泛,发电和供热效率也更高,但聚光型热电联产系统的技术门槛和运行维护成本均高于非聚光型。
2.1 非聚光型太阳能热电联产系统的发展及应用
当太阳光照射到光伏电池板上时,只有能量大于其半导体材料禁带宽度的部分光子能量可以转化为电能,主要是在可见光及紫外波段附近的能量,此外的能量不仅不能转化为电能,还会变为废热造成光电转化效率下降,尤其是红外波段所引起的热效应。针对这个问题,太阳能光伏/光热综合利用技术应运而生。太阳光直接入射光伏电池板,能量一部分转化为电能;另一部分则转化为电池板本身的热能,设计热能利用设备,安装于电池板的背面,对这部分废热进行利用,不仅降低了光伏板的温度,同时还提高了整个系统的太阳能利用效率。纯光伏发电的热电联产原理比较简单,即利用光伏电池受照射后的温度升高来加热热水。目前,国外已有光伏热电联产系统的应用示范,大多是与建筑物结合使用,光伏电池板提供电能,其背面的换热器为建筑物供热。
2.2 聚光型太阳能热电联产系统的发展及应用
聚光型太阳能热电联产的技术研究起始于20世纪80年代后期,随着研究技术的日益深入,近几年也取得较大的进展。世界各国开展了很多相关的研究项目。澳大利亚国立大学可再生研究系统中心曾研制出了一种由具有37倍聚光比的槽式抛物面PV/T集热器组成的太阳能热电联产系统,该系统能量的综合利用效率可达69%。我国工程科学学院的陈则韶教授对太阳能聚光分频利用热电联产的机理进行了研究,得出了太阳能光谱有效能函数以及太阳能聚光分频利用热电联产的设计方案,对聚光型太阳能热电联产系统技术的应用发挥一定作用。
3 聚光型太阳能热电联产系统
聚光型太阳能热电联产系统是在聚光光伏发电系统的基础上加入了循环水泵、水管和水箱等部件,组成了新的热电联供系统,其系统原理见图1。这种系统既能提供电能,又能提供热能。具有高效率、可靠性、实用性、经济性和低噪音等特点。这个系统主要是通过自动追踪器实时追踪,实时地保持着聚光器的主光轴与太阳光的入射光线平行,聚光器将太阳光聚焦到能量转换器上,在能量转换器里,太阳能一部分转化为电能,通过汇流柜可以为城镇小区居民提供生活用电或者并网;一部分转化成热能,循环水泵将水箱里的冷水通过水管源源不断经过能量转换器形成热水,存储在水箱中,为城镇小区居民提供生活用水。聚光型太阳能热电联产系统这种应用还是比较广泛的,当然,也可以集中起来运作可以将发出来的电能并入电网。
因此,聚光型太阳能热电联产系统主要由自动追踪器、聚光器、能量转换器、水管、水箱、循环水泵和汇流柜等部分构成(图2)。自动追踪器是西门子PLC或者单片机等核心器件构成的,它通过天文算法实时精确的追踪着太阳;聚光器主要起对太阳光聚光的作用,将太阳光聚焦到能量转换器上。能量转换器是聚光型太阳能热电联产系统的核心部件,里面含有辐射器、滤光器、散热器、光伏电池等。辐射器和滤光器主要是将太阳光照射在光伏电池转换成电能。散热器主要有两方面作用:一方面是对光伏电池进行散热;另一方面是对冷水进行加热,从而将冷水变成热水,转换为热能。循环水泵的作用是用于冷水在水管、水箱里循环的动力;水箱是用来提供冷水和存储热水的,便于用户使用。
4 聚光电热联产布局示意图
图3所示的集中式的电热联产设计,具有以下优点:集中式安装和建造可以节约成本;整体布局、规划、设计,更有利于施工和安装;有利于统一的管理和监控。假设,在一个社区中,每一栋楼配置上一套这样的系统,就可以满足整个一栋楼的热水的供应,同时也方便管理。
5 总结
聚光型PV/T系统可以通过成本比较低的聚光器的聚光,减少成本相对比较高的太阳能电池组件的面积,有助于节省土地,单位面积上面的太阳能利用率更高,并且可以利用冷却聚光器产生的预热提供热水。
此外,电热联产系统应用于居民家庭目前还难以实现,主要原因是成本较高。因此还是要集合多个追踪器,做成一整套设备,集中发电、集中制冷,这样可以降低成本。
聚光太阳电池 篇7
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.
聚光太阳电池 篇8
关键词：光伏跟踪系统,传动结构,控制系统,理论探讨
1 前言
太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 然而它也存在着密度低、间歇性、空间分布不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。太阳能光伏发电装置采用跟踪技术可以提高光伏电池的使用效率, 从而有效降低整个发电系统的成本。跟踪系统作为承载整个太阳能光伏系统的结构, 具有极其重要的作用。本文主要对跟踪器结构的设置以及可行性的方案进行研究。
2 理论探讨
2.1 整体结构
以跟踪器 (图1) 为例我们可以看到, 该跟踪器主要机械结构有支架、轴承座、轴与轴承、蜗轮蜗杆传动系统、箱体支架。同时, 还有伺服系统、位置传感器、行程开关传感器、伺服电机等控制系统。
2.2 轴承结构及配合
在整个跟踪系统中, 支架部分承载整个跟踪器的负荷, 其设计和制造应体现牢固稳定的特征, 应采用圆筒形结构钢材质, 该结构稳定, 装卸方便, 制造与采购方便, 下表面焊圆盘与底面相接, 并焊接支撑肋板增加其强度。
支架上面是轴承座, 其作用是支撑轴承。
轴承套在轴承座上, 起到滚动或者滑动的作用, 使轴转动并保持稳定。这一部分主要应考虑以下几个问题: (1) 轴承座与下面支架同轴的问题。 (2) 轴承座与轴承相连部分公差选择以及加工精度的问题。 (3) 轴承座的安装问题。
轴承座内为传动轴。传动轴作为传动部件, 主要应注意的就是轴表面公差配合加工精度以及轴长的选择。轴加工精度的选择主要用来保证轴与轴承的之间的连接, 这部分的连接影响了转动的精度, 因此, 轴与轴承连接部分的加工需要有较为严格的要求。
2.3 蜗轮蜗杆的配合
蜗轮蜗杆作为一种普遍采用的减速传动装置, 其作用一是传递扭矩, 二是减速。同时, 当蜗杆的导程角小于轮齿间的当量摩擦角时, 该装置还具有自锁功能, 能够在机器停止运动的时候自我固定, 不会因外力的改变而转动。
蜗轮蜗杆的配合主要应该考虑以下3点:中心距离的把握;承受扭矩的计算;侧隙的控制。
其中, 中心距离的把握同侧隙的控制以及产生的扭矩量均有关系, 因此十分重要。如果中心距离过大, 将会使侧隙变大, 传动精度将会明显降低, 同时扭矩也将减小;而如果中心距离过小, 将会使蜗轮蜗杆咬得过紧, 使传动变得困难, 时间久了磨损较大, 会降低零件寿命。
因此, 不但要在设计上对中心距离进行把握, 同时应该在加工制造上进行严格要求。
2.4 蜗轮所在传动轴的选择
传动轴作为整个跟踪器最为重要的部分, 其作用是支撑负载以及传动, 使整个负载可以通过控制按照所要求的方向旋转或停止。这一部分我们主要关心的问题是轴与轴承的选择以及它们之间的配合。
转动轴作为支撑部件, 其意义在于不但承载了上面的重量, 同时带动上面负载进行转动。但是实际上作为支撑部件的是轴承, 并不是轴, 因此, 对轴承的选择十分重要。同时, 轴承的性能指标以及承载能力是研究的重点。
在轴的确定上, 轴长的选择也影响到了传动精度, 因为轴越长, 轴转动时候跳动的量所对应的角度越小。在设计时应考虑轴长对传动精度的影响, 并将之放在整体设计方案中。
2.5 箱体支架的选择
如图2, 箱体应体现安装方便, 维护方便, 密封可靠, 对准精度高等特点。主要有以下几方面要求: (1) 防潮防水。控制箱体内部水汽, 防止聚光镜表面聚集液化水汽而影响聚光质量, 同时还要注意防水密封, 使雨水能不进入箱体内部。 (2) 密闭。防止进入灰尘, 因为灰尘聚集会干扰光聚光效率。 (3) 对准精度。即表面的聚光镜片要与下面电池片保持相对平行, 并一一对准, 这个精度主要通过箱体一体化加工来保证, 并需要校准。 (4) 散热。作为聚光系统, 所聚集的光具有极大的能量, 同时电池片通过光电转换也会产生一部分热量。这些热量如何散掉是重要问题。电池下面要放置散热片, 同时箱体底板做散热装置均为有效控制热量的解决方案。 (5) 压强。空气会因为受热而膨胀。由于箱体通过聚光镜吸收热量, 导致内外热量不平衡;或由于外部变热, 而内部过冷, 这两种情况均会产生压强差, 使聚光镜发生或大或小的形变, 影响聚光效率。
2.6 支架的选择
支架的选择尽量遵循使负载靠近转轴所在轴的原则, 这样, 使负载的重心尽量靠近旋转中心, 减少了不必要的功耗, 增加了设备的稳定性。支架的安装及选择还要注意采用何种搭配方式安装, 以及承载力矩的问题。
2.7 电机的选择
电机有很多种, 其中伺服电机最为可靠和方便。其主要原理:伺服电机内部的转子是永磁铁, 驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场, 转子在此磁场的作用下转动, 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器, 驱动器根据反馈值与目标值进行比较, 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度 (线数) 。
选用伺服电机控制方便, 技术成熟。同时, 与测量太阳方位的光敏传感器在控制系统上相互结合也较为妥当。
3 结构设置
3.1 跟踪器的结构设置所应考虑的问题
(1) 设计上应尽量符合以上叙述的原理与内容。 (2) 针对特定负载进行适当调整。 (3) 同时具有高精度高成本以及低精度低成本两套方案。 (4) 对控制部分提出要求, 需要主控部分对机械的无法预测的跳动或变化进行调整与补差。
3.2 跟踪器的跟踪精度探讨。
跟踪器作为一个精密机械, 其机械结构大, 同时要求精度高。跟踪精度是太阳能跟踪装置重要指标之一。一般来说, 装置规模越大, 要求的跟踪精度越高。因此, 不但要在机械精度上进行保证, 同时在控制部分应该予以配合与调整, 使最终的跟踪精度能够达到预定的要求。
首先, 在设计过程中要保证可以承受负载的转动, 这需要通过承载负载的轴承来保证。
其次, 对负载的传动的驱动元件电机进行设置。电机的设置涉及到转动物体的角加速度、负载物体的材质、形状、尺寸等。另外, 由于应用了伺服控制系统, 所以尽量选用伺服电机, 方便控制。
最后, 对加工精度提出要求。加工精度以及公差配合始终是制约仪器机械精度的主要原因, 标注好公差以及保证加工精度是使跟踪器最终能够达到跟踪精度的主要保证。重点注意以下几点: (1) 轴和轴承的配合。 (2) 法兰盘与轴承的配合。 (3) 滚子与盘的配合。 (4) 蜗轮蜗杆的配合。 (5) 轴承与轴承座配合。
以上因素均应考虑在设计的过程中。同时, 由于各个工厂加工水平的不同, 能否保证高精度的加工精度, 同样应做到心中有数。这样, 最终的产品精度就可以尽量接近实际跟踪精度。使整个设计达到最初要求的精度范围内。
4 两个方案
如表1所示, 分别为高精度方案以及低精度方案。高精度方案可行性较高;低精度方案具有实际应用价值, 是一个极为重要的工程尝试。
在实际的结构设置中, 还要考虑很多应用的因素, 在前期的设计制造中应给予足够的重视。
5 结语
本文从原理探讨和结构设置两部分对跟踪器可行性进行研究, 并从机构设计、机械加工、动力控制等角度加以分析, 借以证明其可行性。
跟踪器的设计和制造, 从理论上基本能够满足应用的要求, 但是在实际的生产应用上, 还需要多方协商改进。尤其是结构设置的好坏直接关系到最后产品的生产制造以及科研应用。
参考文献
[1]尹方仪.太阳能跟踪聚光系统的研究[J].太阳能学报, 1984, 5 (1) :59-62.
[2]陈维.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].新能源及工艺, 2003 (3) :18.