聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf

所需积分/C币:10 2019-09-05 22:13:48 6.08MB PDF
34
收藏 收藏
举报

聚光光伏发电光学系统优化设计研究。
浙江工业大学硕士学位论文 THE OPTIMUM DESIGN AND STUDY OF THE CONCENTRATING PHOTOVOLTAIC OPTICAL SYSTEM ABSTRACT Using the solar energy focusing photovoltaic generate electricity is the effective way of solving current questions about shortage of energy, exhaustion of resources, environmental pollution and so on. Under the condition of the same output power of the photovoltaic system using low cost superiority of the concentrator material in place of the expensive solar cell to reduce the comprehensive cost of the photovoltaic system and realize the highly effective and the efficient unification of the focusing photovoltaic system. In view of this goal, the main content is as follows: 1. Computing the CPC system obliquity of the stand-alone photovoltaic system for zero LOLP based on genetic algorithm to reduce the photovoltaic system's solar cell disposition power and the system cost. Determining the optimum installment obliquity of HangZhou CPC system 1s41.4°. 2, Analyzing the existing concentrators in the solar energy photovoltaic generate electricit system in the foundation of the ordinary compound parabolic concentrator, designing and manufacturing two-stage compound parabolic concentrator, giving the design theory and the computation, establishing three-dimensional models, and carrying on the performance simulation of concentrators using the TracePro optics software. The performance characteristics and the best shape of the two-stage compound parabolic concentrator are given 3. Manufacturing the small stand-alone photovoltaic system for experiment using the two-stage compound parabolic concentrator and the solar cell 4. Constructing laboratory bench under the simulation natural condition of different season (spring, Autumnal equinox, winter solstice, summer solstice) to carry on the experiment of the focusing photovoltaic generate electricity system and to confirm the simulation conclusion The low cost characteristic of the focusing photovoltaic system has the vital significance for the further promotion of the photovoltaic technology Key Words: solar energy, photovoltaic system, genetic algorithm, compound parabolic concentrator 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外,本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名:林海日期1x年S月叹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密口,在年解密后适用本授权书 2、不保密团。 (请在以上相应方框内打”) 作者签名:林造日期1年S月日 导师签名:中日期:9年∫月以日 浙江工业大学硕士学位论文 第1章绪论 11中国太阳能资源 能源紧缺,环境恶化是日趋严重的全球性问题。人类为追求可持续性发展,正积极发 展可再生能源技术。太阳能作为可再生能源之一,在近些年来引起了世界各国政府和能源 专家的日益重视。 中国地处北半球,幅员辽阔,大部分地区位于北纬45°以南,有着十分丰富的太阳能 资源。据估算,中国陆地表面每年接收的太阳辐射能约50×108千焦,约相当于1700亿 吨标准煤 中国太阳能资源的分布具有如下一些主要特点:①太阳能的高值中心和低值中心都处 在北纬2235°一带,青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心;②太阳年辐射总量, 西部地区高于东部地区,而且除西藏和新疆两个自治区外,基本上是南部低于北部;③由 于南方多数地区云雾雨多,在北纬30~40°地区,太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬 度而变化的规律相反,太阳能不是随着纬度的增加而减少,而是随着纬度的增加而增加。 为了按照各地不同条件更好的利用太阳能,中国气象专家根据各地接收太阳总辐射量的多 少,将全国划分为五类地区1。浙江地区全年日照时数为1400~2200h,太阳辐射年总量 为419~50kJ/(cm2a),相当于140~170kg燃烧标准煤。中国是太阳能资源丰富的国家,具 有得天独厚的开发利用太阳能优越资源的条件。 12太阳能聚光光伏发电现状及发展前景 121光伏发电系统简介 光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置,根据光伏系统与电网的关系,可 以分为独立光伏系统和并网发电系统,独立系统常用在远离电网的偏远地区,它利用蓄电 池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能,当太阳能电池输出电能不能满足 负载要求时,由蓄电池进行补充,而当其输出的功率超出负载需求时,将电能储存在蓄电 池中;并网系统是将太阳能电池控制系统和民用电网并联,当太阳能电池输出电能不能满 足负载要求时,由电网来进行补充:而当其输出的功率超出负载需求时,将电能输送到电 网中。 浙江工业大学硕士学位论文 基本的光伏发电系统包括光伏组件、控制器、储能装置、逆变器、负载五大部分,如 图1-1所示。为了提高光伏电池的转换率,光伏电池板部分可以采用聚光器,常用的聚光 器有抛物槽、菲涅耳透镜、全息聚光器和中心接受聚光器等,它们都可以不同程度的提高 光伏电池的转换率。光伏电池产生的电流通过DCDC变换装置可以直接供给各种直流负 载,同时为储能装置充电。储能装置一般采用蓄电池,尤其是铅酸蓄电池。在联网光伏电 源系统中还要有交流联网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心,负责对系 统各运行参数进行检测,并根据预设和判断做出控制指令,使系统能够自动稳定运行,并 工作于最佳状态。如果有自动跟踪装置,也是由同一个控制器进行集中控制,来跟踪太阳 位置的变化。 光伏组件/控制器 逆变器 负载 蓄电池组 图1-1光伏发电系统组成 光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式一电能,从而具有热利用不 可比拟的优势,同时光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点 )太阳能取之不尽,用之不竭,每天照射到地球上的太阳能是人类消耗能源的6000 倍。太阳能光伏发电安全可靠,不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。 2)太阳能随处可得,可就近供电,不必长距离输送,因而避免了输电线路等电能损 失 3)太阳能不用燃料,运行成本很小。 4)发电部件不易损坏,维护简单。 5)光伏发电不产生任何废弃物,没有污染、噪声等公害,对环境无不良影响,是理 想的清洁能源。 6)光伏发电系统建设周期短,由于是模块化安装,不仅可用于小到太阳能计算器的 几个毫瓦,大到数十兆瓦的光伏电站,而且可以根据负荷的增减,任意添加或减少太阳电 池容量,既方便灵活,又避免了浪费 浙江工业大学硕士学位论文 122国外研究项目和示范工程 通过聚光提高太阳能发电的效率,国外已经有过一些工业化尝试。比如利用菲涅尔透 镜实现3~7倍的聚光,但由于透射聚光的光强均匀性较差、且特制透镜成本降低的速度 赶不上高反射率的平面镜,国外开始尝试通过反射实现聚光,比如德国ZSW公司发明了 V型聚光器,实现了2倍聚光,美国的 Falbel发明了四面体的聚光器,实现了2.36倍聚 光,尽管实现两倍聚光可以少用50%左右的太阳电池组件,但是相对于聚光器所增加的 成本,总体的经济效益并不明显4可。 美国能源部正在实施的HPer( High-Performance Photovoltaic)计划,是为了探求 光伏技术的性能极限,以便更好地提供有成本效益的洁净能源。该计划有两个重点,其中 之一就是研究多结聚光电池的性能。 IDEOCONTE是由欧洲委员会资助的项目。计划从2002年到2006年,目标是对于 不同地区采用的聚光光伏发电系统,确定以硅电池为基础的最佳系统结构,包括比较能量 成本和不同系统类型、跟踪方法、聚光率、气候类型之间的关系,明确在100~2000kWp 范围内的实际成本和最优系统结构。 EUCLIDES是由欧洲委员会资助的一个聚光太阳电池系统的项目,于1998年11月 完成。该系统包括14个电池方阵,每个方阵由138个聚光电池组件和140个槽式抛物镜 面组成,每个方阵长84m,单轴跟踪,几何聚光率为382,功率为480kWp,散热方式为 被动式,电池为激光刻槽埋栅电池。 欧洲委员会资助的 IDEOCONTE项目研制了第二代低聚光率 PRIDE聚光器(图 1-2) 聚光比 1056 截取线 图12截取比为0.2的非对称CPCl 这种聚光器采用的是非对称结构CPC设计,几何聚光比为245。相对于对称结构的 浙江工业大学硕士学位论文 CPC,在出射面积和聚光比相同时,可以获得更大的光接收角度和节省更多的制作材料。 Entech公司自从联邦光伏计划启动以来,一直致力于线聚焦菲涅耳透镜光伏系统的 研究,开发出有很好性能的弓形透镜] Ryu设计出了一种通过光通量分布的叠加使辐射强度均匀的模块化多面体菲涅尔 透镜,并且提出了一种推算太阳辐射通量和聚光效率的数学处理方法。通过计算得出该装 置能够使电池板上的聚光分布的均匀性提高20%,并在小于50倍聚光比的条件下使光通 过率提高到70%以上。 近几年,世界光伏发电市场发展迅速。近10年太阳能电池组件的年平均增长率为 33%,近5年的平均增长率为43%,2008年比上一年增长612%,光伏发电已成为当今发 展最迅速的高新技术产业之一。在新世纪中,各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持 续发展战略的重要内容。到2010年,全世界光伏产业将累计达到14~15GW,这表明世界 光伏产业发展有着巨大的发展空间。各国长期发展目标见表1-1 表11世界光伏发展目标(累计装机容量,GWp) 国家(地区) 2010年 2020年 2030年 日本 5 30 欧盟 15 30 美国 4 15 25 其它国家 10 23 总计 157 70 150 123国内研究项目和示范工程 在我国,随着国民经济的稳步发展,综合国力的不断提高和科技的进步,特别是“西 部开发”战略的实施,利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决占国土面积60%以上 的辽阔地区几千人口的用电问题,这一伟大构想已经逐步成为现实。1996年,我国由国 家计委牵头制定了实施“中国光明工程”的计划。计划到2010年利用风力发电和光伏发 电技术解决2300万边远地区人口的用电问题,使他们达到人均拥有发电容量10瓦的水 平,相当于届时全国人均拥有发电容量1/3的水平。 剑桥大学应用物理学家现为中国科技大学和中科院理论物理所特聘研究员的陈应天 教授,在他独创的新的光学聚焦与跟踪理论的诸多应用下,发明了采用数倍聚光的光伏发 电系统1。图1-3是安装在中科院理论物理所楼顶示范运行的两台采用数倍聚光的光伏发 浙江工业大学硕士学位论文 电装置,每台发电装置的峰值功率150W,最大发电电流可以达到16A。其实,每颗“钻 石”是由一个普通的单晶硅光伏电池和一个八面体反射镜围成的光漏斗组成。八面体的光 漏斗的作用在于,将太阳光通过平面反射的方法折叠并聚集起来,形成4倍的太阳光强并 均匀地照在光漏斗底部的硅光伏电池上。 图1-3数倍聚光的光伏发电装置及光漏斗单体照片 中国科学院半导体研究所研制的组合式聚光器。该组合式聚光器由点聚焦菲涅尔透镜 和导光筒组成。其特点为: 1)点聚焦菲涅尔透镜作为初级光学元件,可以获得较大的聚光比; 2)导光筒作为二级光学元件,可将偏离电池的太阳光通过筒内壁镜面的多次反射重 新投射到电池表面上,从而提高了太阳能利用率和太阳电池的光电转换效率。 B f 图14聚光太阳电池原理样机及组合式聚光器单体照片 该研究小组对图1-4所示的带有组合式聚光器的原理样机的电功率输出特性随入射 角的变化关系进行了测试,测试结果表明,在AM5和400倍聚光条件下,当输出功率 浙江工业大学硕士学位论文 为峰值功率的90%时,其可接收角为±4.23°。与传统折射式聚光器相比,该系统具有较高 的接收角,可极大地提高聚光光伏系统户外运行的稳定性和可靠性,且便于安装和维护。 目前,该项技术装机成本约为30元/W,随着技术的逐步提高,2020年有望降至15元W 以下,届时,其发电价格可与火电发电成本相当。 许志龙、刘菊东等研制了一种自动跟踪太阳的蝶式光伏发电聚光器图15为二维 蝶式光伏发电聚光系统样机,蝶式光伏发电聚光器的外形像蝴蝶,底部安装一排平面反射 镜,太阳电池组件固定在顶端。太阳光经平面镜反射后均匀地照射到对应一侧的太阳电池 阵列上,实现2-12倍聚光功能。该研究小组研制的二维跟踪太阳转动的蝶式光伏发电系 统,由12块281mm×621mm的太阳电池组件和36块300mm×1245mm的平面镜及钢结构 组成。太阳电池组件的总标称功率为252W。按照反射镜80%的反射率计算,实际聚光为 4.56。在太阳光照强度为kW/m2时,系统实际发电功率约为lkW。 1平面镜:2太阳能电池板;3传感器:4支架传动机构;5底盘传动机构 图1-5二维蝶式光伏发电聚光系统样机 光伏发电的行业标准方面,虽然现在还没有IC(国际电工委员会)标准,但各国都颁 布了相应的试行标准,如美国 SANDIA国家实验室的光伏并网发电系统标准等。新能源 是二十一世纪世界经济发展最具决定力的五大技术领域之一。太阳能是一种清洁、高 效和永不衰竭的新能源。在新世纪中,各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展 战略的重要内容。到2010年,全世界光伏产业将累计达到1415GW,这表明世界光伏产 业发展有着巨大的发展空间。 我国《1996~2010年新能源和可再生能源发展纲要》中明确指出,要按社会主义市场

...展开详情
试读 82P 聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf
立即下载
限时抽奖 低至0.43元/次
身份认证后 购VIP低至7折
一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
您会向同学/朋友/同事推荐我们的CSDN下载吗?
谢谢参与!您的真实评价是我们改进的动力~
  • 至尊王者

关注 私信
上传资源赚钱or赚积分
最新推荐
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf 10积分/C币 立即下载
1/82
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第1页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第2页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第3页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第4页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第5页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第6页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第7页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第8页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第9页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第10页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第11页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第12页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第13页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第14页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第15页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第16页
聚光光伏发电光学系统优化设计研究.pdf第17页

试读结束, 可继续读3页

10积分/C币 立即下载