新型Fresnel光伏聚光镜的设计研究

【摘要】：太阳能聚光光伏发电技术作为第三代光伏发电技术，随着聚光光伏电池在高倍聚光条件下光电转化效率的不断提高，其发电的成本在不断降低，这就使得聚光光伏发电技术在太阳能发电利用领域中的地位日益突出。光学聚光镜作为聚光光伏系统中除了光伏电池之外的最关键部件，其聚光性能的好坏直接决定着光伏电池发电效率的高低，进而决定了整个光伏系统的发电成本。由于平板式Fresnel聚光镜具有厚度薄，透光率高、质量轻、成本低、加工简单等诸多优点，它被广泛应用于目前的商业化大型聚光光伏电站中。然而，传统平板式Fresnel聚光镜的设计主要基于成像原理，其系统的聚光效果并不十分理想，存在严重的色散，系统高宽比过大和聚焦光斑均匀性差等问题。为此，本论文在国家863项目“塔式聚光器反射镜场的布置与优化(2006AA05010102)”的支持下，进行了相关新型Fresnel聚光镜设计的理论研究工作，并提供了一系列有效的光学解决方案。具体研究内容如下： 1.研究了高效型Fresnel聚光镜的优化设计方法，即在该聚光镜设计阶段就充分考虑太阳宽光谱、多结光伏电池的光谱响应和户外温度变化等因素的影响。通过引入光伏电池的截断效率概念，寻找Fresnel聚光镜各个锯齿的设计主波长来优化各个锯齿的面型结构，从而使得光伏电池接收到最大的太阳辐射能量，并基于该优化方法设计出了太阳辐射能量传递效率最大化的新型Fresnel聚光镜。该新型Fresnel聚光镜的能量传递效率要比传统Fresnel聚光镜提高近10%。 2.进行了减小Fresnel聚光系统高宽比的研究，提出双反射型和导光板型的两种新型的Fresnel聚光镜设计方案，其系统的高宽比甚至可以设计到0.1以下，缩减到传统Fresnel聚光光伏系统高宽比的十分之一左右，使得整个系统更加紧凑，体积更小，更加有利于未来聚光光伏系统的小型化、轻型化、与聚光光伏电池集成一体化的发展趋势。 3.进行了改善聚焦光斑均匀性的研究，提出了对现有的TIR-R型Fresnel聚光镜的改进设计方案，通过引入临界点位置和增加二次镜底部全反射棱镜结构的设计，有效地提高了聚光系统能量的传递效率并改善了聚焦光斑的均匀性。与此同时，通过一次聚光镜的多个锯齿对应二次镜的同一个分段面型的优化设计，简化了该Fresnel聚光镜的结构复杂程度，降低了加工难度，进而降低了加工成本。 【关键词】：可再生能源 太阳能 聚光光伏发电 非成像 Fresnel聚光镜 色散
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 太阳能利用概述11-13
• 1.2 聚光光伏系统13-16
• 1.3 FRESNEL 聚光光伏系统16-20
• 1.4 论文的背景及研究内容20-22
• 1.5 本章小结22-23
• 第2章 FRESNEL 聚光镜的聚光理论23-37
• 2.1 传统 FRESNEL 聚光镜设计理论23-28
• 2.2 非成像聚光理论基础28-35
• 2.3 本章小结35-37
• 第3章 高效型 FRESNEL 聚光镜优化设计37-59
• 3.1 引言37
• 3.2 优化设计考虑因素37-46
• 3.3 高效型 FRESNEL 聚光镜优化设计46-51
• 3.4 高效型 FRESNEL 聚光镜性能分析51-57
• 3.5 本章小结57-59
• 第4章 紧凑型 FRESNEL 聚光镜设计59-89
• 4.1 引言59
• 4.2 双反射型 FRESNEL 聚光镜设计59-75
• 4.3 导光板型 FRESNEL 聚光镜设计75-86
• 4.4 本章小结86-89
• 第5章 复合型 FRESNEL 聚光镜优化设计89-115
• 5.1 引言89-90
• 5.2 一次 FRESNEL 聚光镜设计90-97
• 5.3 二次聚光镜设计97-102
• 5.4 复合型 FRESNEL 聚光镜性能分析102-111
• 5.5 新型 FRESNEL 聚光镜整体性能对比111-113
• 5.6 本章小结113-115
• 第6章 结论115-119
• 6.1 本文研究成果及创新意义115-117
• 6.2 工作中不足和进一步工作展望117-119
• 参考文献119-129
• 在学期间学术成果情况129-131
• 指导教师及作者简介131-132
• 致谢132

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