使用多层光学介质薄膜滤光的聚光太阳能发电技术的理论与实验研究

【摘要】：地球表面接受的太阳能辐射具有能流密度低、光谱分布范围宽的特点。使用聚光器汇集太阳能；针对不同波长段的太阳辐射能量,分别利用相应的匹配性好、性能突出的多种太阳能发电元件转化能量,可以获得比传统的单一利用方法更好的效果。 本文以发展较成熟的晶体硅太阳光伏电池做为主要发电部件,探索其与温差发电元件以及斯特林发电系统构建聚光分频联合发电系统,更全面地利用太阳辐射全波段能量的方法。根据典型的硅电池特性及与其联合使用的不同发电元件性能,展开了对应的介质多层薄膜滤光器研究。 首先,介绍了地球接受的太阳辐射的特点,以及中国太阳能资源分布的情况；阐述了根据不同地域条件、气象情况,结合太阳辐射宽频、低能流密度和不稳定等特点合理利用太阳能的必要性,交代了全文工作的研究背景。介绍了主要的太阳能发电方式及其发展现状；综述了从太阳光谱特征入手优化太阳能发电效果的主要手段；分析了基于太阳能利用的主要分频技术及其发展情况。根据文献综述情况,制定了使用光学介质薄膜对太阳入射光分频,利用以硅电池为主的多种发电方式联合使用入射太阳辐射能量的方案。同时,提出了本文的主体结构和研究内容。 介绍了光学薄膜设计的基础理论,根据电磁波理论分析了入射太阳光波与薄膜系统相互作用的情况。研究了薄膜主要物理参数如：膜料性能、薄膜基础结构特征等与滤光薄膜系统的光学性能间的关系。通过比较薄膜设计的两种方法：经典解析解法和计算机辅助的数值解法,确定了将两者相结合联合使用,设计本文需要的滤光器。 根据典型温差发电元件与碟式斯特林系统的性能参数,以及硅电池的发电性能计算结果,确定了三种不同滤光薄膜系统的设计要求。选用了镀膜加工过程中性能稳定的介质材料作为设计原料。根据设计目标,利用解析解法计算了每一类滤光器的初始设计方案。使用针形数值方法优化了初始解的薄膜结构,获得了满足要求的三套设计结果。采用电子束加热蒸发的镀膜手段,制作了其中两种方案的滤光片样品,检测其光学性能很好地实现了设计目标。 在室外利用自然太阳光条件,实验测试了多种硅电池使用不同滤光片样品在各种聚光条件下的发电效果。滤光器的使用可以明显改善电池短路电流与最大输出功率两种主要电输出性能参数随入射能量增加的变化情况,让硅电池的实际工作效率与整体发电效率相比不使用滤光片的情况得到优化。 建立了针对光伏-温差元件联合发电系统与光伏-碟式斯特林发电联合利用系统的分析模型。根据光学滤光片的设计结果,使用标准直射辐射入射光谱,计算了3种不同硅电池作为光伏元件的光伏-温差元件联合发电系统在非聚光条件下的发电效率,分析了滤光器带来的发电效果变化情况；计算了使用聚光硅电池作为光伏端的光伏-温差元件联合发电系统与光伏-碟式斯特林发电联合利用系统在不同聚光倍数下的系统发电效果,比较分析了聚光分频联用方案与单一元件发电系统的差异。证明了光伏-温差元件联合发电系统可以在更高聚光倍数的条件下,利用相对更少的光伏材料获得比普通聚光光伏系统更多的电能。证明了光伏-碟式斯特林发电联合利用系统可以获得比普通碟式斯特林系统更高的发电效率,以及更长的日平均发电时数；同时可以获得比普通的聚光光伏系统更好的发电效率、更高的聚光比范围以及在入射能量条件自然变化时提供更稳定的发电效果。 采用SMARTS太阳光谱分析模型计算了杭州典型气象条件下不同时间点接受的直射辐射光谱情况。利用计算结果作为入射光源的光谱,分析了聚光光伏系统、光伏-温差发电联用系统、碟式聚光斯特林发电系统、光伏-碟式斯特林发电联用系统的发电效率,随不同时间点入射辐射光谱变化的改变情况；比较了几种系统的性能差异,分析了分频方法可能带来的系统效率提升。 【关键词】：太阳能发电 光学多层薄膜 截止滤光片 干涉 光伏电池 碟式斯特林系统 太阳直射辐射光谱
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK519
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-15
• 图索引15-20
• 表索引20-22
• 1 绪论22-53
• 1.1 太阳能资源23-27
• 1.1.1 地表太阳辐射23-24
• 1.1.2 中国太阳能资源24-27
• 1.2 主要太阳能发电方式27-33
• 1.2.1 太阳能光伏系统27-29
• 1.2.2 聚光太阳能热发电29-32
• 1.2.3 太阳能温差发电和太阳能热气流发电32-33
• 1.3 针对太阳光谱特性优化太阳能发电效率的方式33-44
• 1.3.1 使用二次辐射源调节光谱33-35
• 1.3.1.1 热光伏系统(TPV)34-35
• 1.3.1.2 荧光太阳聚光器(LSC)35
• 1.3.2 层叠布置多种设备宽频利用太阳能35-38
• 1.3.2.1 层叠式多节太阳电池36-38
• 1.3.2.2 PVT系统38
• 1.3.3 采用分频技术的分布式宽频太阳能发电38-43
• 1.3.3.1 光伏分频系统39-41
• 1.3.3.2 光伏/光热联用分频系统41-42
• 1.3.3.3 采用滤光器的其他分频利用系统42-43
• 1.3.4 高温太阳光谱选择性吸收技术43-44
• 1.4 基于太阳能利用的分频技术发展情况44-51
• 1.4.1 全息滤光44-45
• 1.4.2 液体滤光45-47
• 1.4.3 光谱选择干涉滤光薄膜47-51
• 1.4.3.1 干涉截止滤光片(The multilayer bandstop filter)48-50
• 1.4.3.2 皱褶滤光片(The Rugate filter)50-51
• 1.5 本文主体结构与研究内容51-53
• 2 光学薄膜基础理论及多层薄膜滤光器基本结构设计的研究53-89
• 2.1 光学薄膜基础理论53-61
• 2.1.1 单层平面电磁波53-56
• 2.1.2 单层膜的干涉56-59
• 2.1.3 多层膜的干涉59-61
• 2.2 光学薄膜系统的主要设计方法61-65
• 2.2.1 计算机辅助设计61-63
• 2.2.2 经典解析解法与数值解法的比较63-64
• 2.2.3 本文中滤光器的设计思路64-65
• 2.3 多层薄膜滤光器基本结构设计及其性能影响因素的研究65-88
• 2.3.1 薄膜材料的选择65-68
• 2.3.2 基本周期膜系及其性能考察68-74
• 2.3.3 高反带(截止区)的拓宽74-82
• 2.3.4 通带波纹的压缩82-85
• 2.3.5 偏振效应的影响85-88
• 2.4 本章小结88-89
• 3 适用于聚光太阳能发电系统的光学多层薄膜滤光器的研制89-120
• 3.1 聚光分频光伏光热联合发电系统89-97
• 3.1.1 系统组成89-91
• 3.1.2 光伏端的特性91-94
• 3.1.3 TEG端特性94-95
• 3.1.4 Stirling端特性95-97
• 3.2 分频策略97-101
• 3.3 滤光器基础膜系的设计101-108
• 3.3.1 初始膜系的解析法设计101-104
• 3.3.2 Filter-A的设计104-106
• 3.3.3 Filter-B1的设计106-107
• 3.3.4 Filter-B2的设计107-108
• 3.4 滤光器基础设计方案的数值优化108-112
• 3.4.1 Filter-A设计方案的优化结果109-110
• 3.4.2 Filter-B1设计方案的优化结果110-111
• 3.4.3 Filter-B2设计方案的优化结果111-112
• 3.5 制备112-118
• 3.5.1 电子束加热蒸发镀膜技术简介112-113
• 3.5.2 薄膜加工与样品测试113-118
• 3.6 本章小结118-120
• 4 PV-TEG聚光分频联用系统的性能实验与模型分析120-156
• 4.1 实验系统120-129
• 4.1.1 系统组成与主要测试工具120-124
• 4.1.2 聚光器124-125
• 4.1.3 滤光器125-126
• 4.1.4 光伏电池126-127
• 4.1.5 温差元件127-129
• 4.2 光伏电池聚光性能与聚光分频性能比较129-145
• 4.2.1 CCRS-C50电池实验结果分析129-138
• 4.2.1.1 短路电流Isc130-131
• 4.2.1.2 开路电压U_(oc)131-132
• 4.2.1.3 最大功率P_m132-133
• 4.2.1.4 填充因子FF133-134
• 4.2.1.5 发电效率134-138
• 4.2.2 Si-N电池实验结果分析138-145
• 4.2.2.1 短路电流I_(sc)140
• 4.2.2.2 开路电压U_(oc)140-142
• 4.2.2.3 最大功率P_m142
• 4.2.2.4 填充因子FF142-143
• 4.2.2.5 发电效率143-145
• 4.3 PV-TEG分频联用系统模型分析145-155
• 4.3.1 普通晶体硅电池146-147
• 4.3.2 聚光利用硅电池147-153
• 4.3.3 计算结果与性能分析153-155
• 4.4 本章小结155-156
• 5 PV-DS聚光分频联用系统的性能实验与模型分析156-175
• 5.1 使用FILTER-B1的硅电池性能实验156-165
• 5.1.1 实验系统介绍156-157
• 5.1.2 滤光片性能157-158
• 5.1.3 单晶硅电池性能测试结果与分析158-165
• 5.1.3.1 短路电流I_(sc)158-159
• 5.1.3.2 开路电压U_(oc)159-160
• 5.1.3.3 最大功率P_m160-161
• 5.1.3.4 填充因子FF161-162
• 5.1.3.5 发电效率162-165
• 5.2 使用FILTER-B1的PV-DS系统性能分析165-174
• 5.2.1 聚光器165-166
• 5.2.2 PV工作性能分析模型166
• 5.2.3 DS模型166-171
• 5.2.4 计算结果与系统性能分析171-174
• 5.3 本章小结174-175
• 6 太阳直射辐射光谱变化对聚光发电系统性能影响的研究175-184
• 6.1 太阳辐射光谱模型175-180
• 6.1.1 SMARTS光谱分析模型及其分析参数设置175-176
• 6.1.2 本地太阳辐射光谱计算结果176-180
• 6.2 太阳能发电系统性能分析180-183
• 6.2.1 Ⅱ-3B聚光发电系统(CPV)180-181
• 6.2.2 使用Filter-A的PV-TEG联用发电系统181
• 6.2.3 碟式斯特林发电系统181
• 6.2.4 使用Filter-B1的PV-DS联合发电系统181-182
• 6.2.5 各系统发电效率计算结果182-183
• 6.3 本章小结183-184
• 7 全文总结与工作展望184-189
• 7.1 内容总结184-187
• 7.2 主要创新点187-188
• 7.3 未来工作展望188-189
• 参考文献189-201
• 攻读博士学位期间发表论文201-203
• 作者简介203-204
• 致谢204-205

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