出射角受制約的復(fù)合拋物面聚光系統(tǒng)性能研究

出射角受制約的復(fù)合拋物面聚光系統(tǒng)性能研究隨著化石能源的逐漸枯竭及其在開發(fā)和使用過程中所引起的環(huán)境問題,太陽能的光伏發(fā)電受到全球廣泛的關(guān)注,但與常規(guī)發(fā)電技術(shù)相比,光伏發(fā)電價(jià)格高,其應(yīng)用受到了制約。利用低價(jià)的聚光器來減少昂貴太陽電池的使用被廣泛地視為降低光伏發(fā)電成本的有效技術(shù)之一。復(fù)合拋物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator,CPC)是由兩個(gè)拋物面組成的非成像理想聚光器,近年來因其結(jié)構(gòu)簡單、不需要跟蹤等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。理論上,幾何聚光比為Ct的CPC聚光光伏系統(tǒng)的光伏輸出應(yīng)為同類非聚光光伏系統(tǒng)的Ct倍,但實(shí)際的輸出卻遠(yuǎn)小于該理論值。其主要原因?yàn)椋阂皇荂PC內(nèi)太陽電池的光照不均勻?qū)е碌碾姄p失；二是經(jīng)CPC反射面下端反射后的光線到達(dá)太陽電池上的入射角太大,不能被太陽電池充分吸收并轉(zhuǎn)化為光伏輸出。本文針對CPC的技術(shù)缺陷,提出將傳統(tǒng)CPC(因其光線出射角在00-90°之間,簡稱CPC-90)反射面的下端改成平面,使之成為出射角受制約的新型CPC,旨在改善基于CPC聚光光伏系統(tǒng)的性能。該CPC具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：是經(jīng)其反射面反射后的光線在太陽電池上的入射角小于設(shè)定的角度θ。(簡稱CPC-θe);二是經(jīng)反射面下端反射后的光線到達(dá)太陽電池表面的光照更均勻。論文圍繞基于CPC-θe聚光光伏系統(tǒng)(CPV-θe)的光學(xué)性能和光電性能展開理論和實(shí)驗(yàn)研究,旨在揭示CPV-θe的性能是否真正優(yōu)于基于CPC-90光伏系統(tǒng)(CPV-90)的性能。論文首先介紹了CPC的設(shè)計(jì)原理和理論,提出了CPC的線畫法,歸納和總結(jié)了CPC的光學(xué)和幾何特性,研究了CPC結(jié)構(gòu)和安裝參數(shù)選擇的技術(shù)要求。然后建立了用于表征CPC-θe光學(xué)效率因子與光線在CPC-θe橫截面上的投影入射角(θ.)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,結(jié)合太陽幾何學(xué)和太陽輻射理論建立了計(jì)算CPC-θe年采光量的數(shù)學(xué)模型,研究了不同傾角調(diào)整模式下CPC-θe年采光量最大所對應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明：不論采用哪種傾角調(diào)整模式,CPC-90的年采光量稍高于CPC-θe的年采光量。這就意味著,如果太陽電池對太陽輻射為各向同性接收體,CPC-90的聚光性能優(yōu)于CPC-θe。計(jì)算結(jié)果還顯示：東西向固定傾角CPC年采光量最大所對應(yīng)的最佳接收半角(θ。)為260-27°；對于一年調(diào)整2次傾角的CPC,其最佳傾角調(diào)整量約為22°；對于一年調(diào)整4次傾角的CPC,其最佳傾角調(diào)整時(shí)間為兩分日前后22天左右,最佳傾角調(diào)整量為220-24°。建立了表征CPC-90和CPC-θe對入射角有限制的吸收體(即吸收體對入射角大于θ。的太陽光不能吸收,RWARIA)聚光的光學(xué)效率因子的數(shù)學(xué)表達(dá)式和計(jì)算年采光量的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明：除了兩分日前后30天以外,固定傾角下的全CPC-θe年采聚光量略高于全CPC-90；對于幾何聚光比和接收半角相同的截短CPC-θe和截短CPC-90,一年中的任何一天CPC-θe的采光量均高于CPC-90。這表明如果太陽電池對入射角大于某一角度的光線不能吸收,則CPC-θe的聚光性能比CPC-90更優(yōu)越。利用光線追蹤法研究了CPC-θ。和CPC-90吸收體上的光強(qiáng)分布及漫反射對光強(qiáng)分布和光學(xué)效率的影響。研究結(jié)果表明：CPC-θe吸收體上的光強(qiáng)度分布比CPC-90更均勻；漫反射的存在對改善吸收體上光強(qiáng)度分布沒有任何正面效果,相反會大大降低聚光器的光學(xué)性能。依據(jù)二維輻射傳遞理論,建立了表征反射面既有鏡面反射又有漫反射時(shí)CPC-90的光學(xué)效率因子與θ.的數(shù)學(xué)關(guān)系,定量研究漫反射對CPC-90光學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：漫反射對CPC-90的性能有很大的影響,漫反射率越高,年采光量越低。為了對比研究基于CPC-90和CPC-65的聚光光伏組件(CPCbasedPhotovoltaic,CPV)的光伏性能,設(shè)計(jì)制作了兩套聚光光伏組件,二者有相同的接收半角(θ。=20°)和幾何聚光比(2×)。理論分析表明：CPV-90組件的年采光量比CPV-65組件的年采光量高3%-5%；對于CPV-65,到達(dá)電池上所有光線的入射角小于65°,而對于CPV-90,入射到太陽電池上的光線中有8%-10%光線的入射角大于65°。實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)太陽光在非聚光組件上的入射角大于60°時(shí),其光伏轉(zhuǎn)換效率迅速下降；θ為0°、10。和16°時(shí),CPV-65的最大輸出功率分別比CPV-90增加了2.1%、5.4%和8.17%。分析表明：太陽光線在電池上的入射角對光伏輸出有