高效聚光太阳能电池及光伏系统关键技术研究

【摘要】：相比于传统光伏发电技术,聚光太阳能光伏发电作为第三代光伏技术具有无法比拟的高效率、低成本、低生产耗能等诸多优势,并有望成为未来全球具有主导地位的光伏发电技术。虽然目前用于聚光光伏发电的太阳能电池光电转换效率已突破44.7%,但就聚光光伏系统的整体转换效率而言仍有较大提升空间,因此,本文主要针对提高聚光光伏系统整体转换效率的关键问题进行研究。基于系统机械结构特点,将半导体材料、非成像光学原理、自动控制原理以及热动力学领域的相关理论与高效聚光光伏系统的工作机理进行有机融合,有效地解决聚光太阳能光伏系统中存在的关键技术问题,为其应用发展提供新的思路。本论文的主要研究内容包含以下几个方面:运用半导体光电子学理论,并结合实际光伏器件材料及结构特点建立Ga In P/Ga In As/Ge三结太阳能电池双二极管等效电路模型及聚光模组等效模型。利用MATLAB软件对三结太阳能电池及其子电池在给定条件下实测得到的I-V数据进行拟合,结合两大温度系数的隐性限制条件迭代计算得到11个待定参数;同时提出一种有效提取各子电池等效并联电阻的新型拟合迭代方案,并分析相关特性参数的量化形式对聚光模组输出性能的影响。在对传统一次、二次光学单元分析基础上,运用非成像光学原理,提出一种基于折射与反射组建的一次光学单元再与二次光学单元相结合的聚光光学系统。利用光学仿真软件对设计的聚光光学系统进行研究,进而优化光学结构设计,在满足一次光学单元高辐射能量传输的同时,通过二次光学单元实现太阳能电池受光面光斑能量的均匀分布,使太阳能电池处于高光电转换效率的最佳条件。基于二维极轴联动的机械结构特点,自行设计高精度跟踪传感器与自动控制系统,并通过相关实验验证了该系统跟踪太阳的可靠性与稳定性;提出一种基于容差和定时相结合的跟踪控制方案,在确保系统跟踪精度的条件下,使在较大容差(±0.35°)范围内仍能获得整个光伏系统最大输出功率的90%,实现降低跟踪控制系统的运营成本。考虑聚光条件下光伏器件温度特性,对聚光太阳能电池中的热传导及分布特性进行理论分析,结合聚光模组热分布模型对其采取被动或主动散热方式,模拟研究光伏器件的热效应;针对高倍聚光光伏系统,设计一种强制水冷循环新型散热方案,在满足对光伏器件散热以维持其较高输出特性的同时,达到对太阳热能二次利用、实现提高太阳能综合利用效率的目的。通过对上述四个方面的研究与设计,在微观方面改进制作工艺,通过增大等效并联电阻值以实现提高聚光太阳能电池输出特性;在结构上采用两次光学处理的聚光光学系统实现光斑强度均匀分布和采用二维极轴机械结构满足光伏系统跟踪精度;在控制方面结合容差与定时的优化跟踪方案在满足跟踪精度的同时,实现降低系统运营成本。综合各部分优势,试图最大程度地提高整个光伏系统的转换效率及可靠性,以实现聚光太阳能光伏系统整体光电转换率大于30%,同时,对比同等功率输出的平板晶硅太阳能发电系统减小30%的占地面积。 【关键词】：多结太阳能电池 聚光光伏系统 光学处理单元 自动跟踪控制 太阳能综合利用
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 太阳能电池发展概况11-13
• 1.2 聚光光伏系统概述13-17
• 1.2.1 聚光光伏技术发展现状13-15
• 1.2.2 聚光光伏系统的优势15-16
• 1.2.3 聚光光伏系统的构成16-17
• 1.3 本课题主要工作17-19
• 第2章 多结聚光太阳能电池相关理论研究19-37
• 2.1 太阳能电池主要特性参数19-22
• 2.2 三结聚光太阳能电池理论模型22-29
• 2.2.1 双二极管等效电路模型推导22-25
• 2.2.2 双二极管等效电路模型待定参数的提取25-29
• 2.3 双二极管等效电路模型主要参数影响分析29-33
• 2.3.1 相关参数对开路电压温度系数的影响29-30
• 2.3.2 满足短路电流温度系数的条件及其影响30-31
• 2.3.3 相关参数对I-V曲线最大功率点的影响31-33
• 2.4 双二极管模型等效并联电阻的提取33-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 聚光光学处理技术研究37-48
• 3.1 非成像光学理论37-38
• 3.2 聚光光学处理单元关键指标介绍38-43
• 3.2.1 聚光比38-39
• 3.2.2 聚光入射角39-40
• 3.2.3 聚光光斑能量均匀性40-43
• 3.3 聚光光学处理单元结构设计与仿真43-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第4章 聚光光伏自动跟踪控制技术研究48-64
• 4.1 聚光光伏自动跟踪控制系统硬件设计48-55
• 4.1.1 二维极轴联动机械结构设计48-51
• 4.1.2 高精度跟踪传感器的设计51-52
• 4.1.3 自动控制系统电路设计52-55
• 4.2 聚光光伏自动跟踪控制系统软件策略及性能分析55-63
• 4.2.1 自动控制系统跟踪实施方案55-56
• 4.2.2 基于容差和定时相结合的跟踪方式56-59
• 4.2.3 聚光光伏系统自动跟踪误差分析59-63
• 4.3 本章小结63-64
• 第5章 聚光光伏模组热问题分析与有效控制64-74
• 5.1 聚光光伏模组温度相关性64-68
• 5.2 聚光光伏模组热问题解决方案68-73
• 5.2.1 聚光太阳能电池散热方案68-69
• 5.2.2 聚光光伏模组强制水冷循环结构设计69-71
• 5.2.3 聚光光伏模组动态温度控制策略71-73
• 5.3 本章小结73-74
• 第6章 总结与展望74-77
• 参考文献77-83
• 致谢83-85
• 附录1 攻读硕士学位期间取得成果85-87
• 附录2 论文中控制程序87-89

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