機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯--psa太陽(yáng)爐 一個(gè)測(cè)試光伏電池受太陽(yáng)集中輻射的設(shè)備

1、<p>　　機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯</p><p>　　教 科 部： 材料工程教科部 </p><p>　　專 業(yè)： 材料成型及控制工程 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　外 文 出 處： Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2006) 2480–2488</p><p>　　附 件：PSA S

3、olar furnace: A facility for testing PV cells under concentrated solar radiation</p><p>　　注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。</p><p>　　PSA太陽(yáng)爐: 一個(gè)測(cè)試光伏電池受太陽(yáng)集中輻射的設(shè)備</p><p><b>　　摘要</b></p>

4、;<p>　　阿爾梅里亞太陽(yáng)能熱機(jī)構(gòu)（PSA），是歐洲最大的研究，開(kāi)發(fā)和測(cè)試集中太陽(yáng)能技術(shù)中心，它已開(kāi)始運(yùn)用它的知識(shí)，設(shè)施和資源，來(lái)發(fā)展一個(gè)在歐盟資助下的集中光伏技術(shù)項(xiàng)目HiConPV。一個(gè)用于測(cè)試低于2000個(gè)光伏電池下集中太陽(yáng)輻射的設(shè)施，已經(jīng)近來(lái)被完成。這套設(shè)施的優(yōu)勢(shì)是，因?yàn)樗惶?yáng)輻射照亮,有可能獲得適當(dāng)?shù)膯卧庾V響應(yīng)直接和閃存測(cè)試設(shè)備結(jié)合在長(zhǎng)期光伏電池照射的大表面(多達(dá)150 cm2以上)上，所以可與熱響應(yīng)光伏電池

5、的評(píng)估同時(shí)進(jìn)行。</p><p>　　關(guān)鍵字：集中光伏；AsGa電池；試驗(yàn)設(shè)備</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　制作高效的Ⅲ-Ⅴ太陽(yáng)能電池在最近十年發(fā)生了明顯的進(jìn)步。先進(jìn)的濃差電池效率達(dá)到35％以上。這使它們成為有吸引力的在高度集中系統(tǒng)中使用的候選者。對(duì)于中型發(fā)電廠（0.1-10MW），1000-×集

6、中系統(tǒng)，可以擁有任何最低的預(yù)計(jì)費(fèi)用的光伏系統(tǒng)[1]。</p><p>　　集中光伏系統(tǒng)，可以降低成本，在不久的將來(lái)，太陽(yáng)能發(fā)電將成為我們能源供應(yīng)中相當(dāng)大的一部分。實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，需要在光學(xué)方面改進(jìn)，為光學(xué)工程師提供科研機(jī)會(huì)。如果該系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)作1000次，則目前的多結(jié)太陽(yáng)能電池可為美國(guó)制造業(yè)提供1GW/年的電能[2]。</p><p>　　考慮到研發(fā)的需要，該技術(shù)將發(fā)展到商業(yè)階段，CIEM

7、AT（能源與環(huán)境技術(shù)研究中心，依賴于西班牙教育和科學(xué)部）已經(jīng)結(jié)合了兩個(gè)它的部門(mén)：阿爾梅里亞太陽(yáng)能機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)集中系統(tǒng)（PSA）和光伏組件與系統(tǒng)的可再生能源公司聯(lián)合加入該集中光伏技術(shù)領(lǐng)域。</p><p>　　因此，PSA是歐洲最大的開(kāi)發(fā)和測(cè)試集中太陽(yáng)熱技術(shù)研究中心。它為HiConPV項(xiàng)目在太陽(yáng)集中系統(tǒng)貢獻(xiàn)它廣泛的經(jīng)驗(yàn)，而光電組件和系統(tǒng)則在西班牙為以太陽(yáng)能光伏發(fā)電為中心的光伏技術(shù)貢獻(xiàn)自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。在這框架中隨著兩

8、個(gè)組的合作，當(dāng)太陽(yáng)能集中度達(dá)到1000-×之上時(shí)，CIEMAT已經(jīng)在PSA為太陽(yáng)爐提供所有的必需裝備以建立濃差光伏電池/試驗(yàn)面板。</p><p>　　這篇文章描述的是PSA的濃度光伏電池表征設(shè)施和第一次從測(cè)試光伏電池而取得的成果。</p><p><b>　　2、概述</b></p><p>　　太陽(yáng)爐是太陽(yáng)能集中設(shè)施，因此能達(dá)到較

9、高濃度水平，集中太陽(yáng)輻射甚至可達(dá)幾千個(gè)太陽(yáng)的水平。</p><p>　　PSA太陽(yáng)爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。太陽(yáng)爐系統(tǒng)由一臺(tái)平面日光反射裝置,百葉窗,拋物線形集中裝置和試驗(yàn)工作臺(tái)構(gòu)成。日光被日光反射裝置反射到集中裝置并集中照射到放有待測(cè)試驗(yàn)物的拋物線焦點(diǎn)上。百葉窗控制從日光反射裝置入射到拋物線形集中裝置中陽(yáng)光的總量。</p><p>　　平面日光反射裝置有140m2的反射面積。日光反射裝置

10、的反射率是93%，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)是由電腦控制的。</p><p>　　寬11.5m，高11.2m的百葉窗是由兩欄30個(gè)板條組成的。板條的傾斜是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)15896步驟從0°(開(kāi)放)到55°（關(guān)閉）控制的，并以此控制由日光反射裝置進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光，因此可以集中太陽(yáng)輻射到光伏電池上。</p><p>　　圖1 PSA太陽(yáng)爐結(jié)構(gòu)示意圖 所有太陽(yáng)反射面均鍍銀</p>

11、<p>　　拋物線形集中裝置有一個(gè)面積為98.5m2，反射率為94%的反射區(qū)域，它是由89個(gè)1.21m寬，0.91m高的球形夾層式小平面圍繞5個(gè)同心拋物線組成。由日光反射裝置校準(zhǔn)的日光被每個(gè)小平面集中到焦點(diǎn)上。</p><p>　　待測(cè)試驗(yàn)物被放置在處于焦點(diǎn)的可移動(dòng)試驗(yàn)工作臺(tái)(0.6×0.7m)上。三臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制工作臺(tái)在以850mm長(zhǎng)為X軸（東西方向），600mm長(zhǎng)為Y軸(集中裝置方向)和

12、450mm長(zhǎng)為Z軸(垂直方向)的坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)。百葉窗和試驗(yàn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)是控制室的電腦控制的。</p><p>　　由于這一標(biāo)準(zhǔn)配置，PSA太陽(yáng)爐可以通過(guò)一個(gè)超過(guò)3000能量的20cm直徑光束加強(qiáng)自然太陽(yáng)能光束（大約800-1000w/m2），使它的能量密度達(dá)到3000kw/m2。</p><p><b>　　3、儀器性能</b></p><p>

13、;　　PSA太陽(yáng)爐裝備了所有描述光伏電池的必需儀器，而且可以再生測(cè)試到目前為止必須與閃光燈一起做的集中太陽(yáng)輻射試驗(yàn)[4]，通過(guò)增加曝光時(shí)間得到額外有利條件，試驗(yàn)也能提供電池的熱反應(yīng)。</p><p>　　在描述太陽(yáng)能電池之前必須描述太陽(yáng)輻射的特征。要做到這一點(diǎn)，除了輻射測(cè)量站外，爐子還要有一臺(tái)量程為200-1100nm的Avantes AvaSpec-2048-2分光儀[5]，一臺(tái)分辨率為2.4nm的可以測(cè)量日光

14、反射裝置初反射和集中裝置次反射的光伏電池太陽(yáng)光譜的儀器。因此，這使電池反應(yīng)的光譜修正成為可能。</p><p>　　圖2 快速百葉窗 該裝置允許的太陽(yáng)輻射持續(xù)時(shí)間為1ms</p><p>　　焦點(diǎn)處流量和進(jìn)入有百葉窗的衰減器輻射量成比例。然后，必須用三個(gè)不同的百葉窗集中太陽(yáng)輻射到光伏電池上[6]（圖2）。這三個(gè)百葉窗的運(yùn)動(dòng)是在相同的控制系統(tǒng)之下，允許控制光伏電池從1ms到更持續(xù)的照明時(shí)

15、間。</p><p>　　因此，百葉窗衰減器在日光反射裝置和集中器之間，允許控制太陽(yáng)輻射對(duì)準(zhǔn)集中器，修正焦點(diǎn)的濃度水平從0%到100%和幾秒之間的點(diǎn)?？彀偃~窗位于集中器和焦面之間，是由一個(gè)氣動(dòng)活塞和蓋帽（關(guān)閉）或允許通過(guò)（開(kāi)放）的方式控制集中太陽(yáng)輻射的。它名義上的開(kāi)閉時(shí)間大約在0.5s。</p><p>　　最后，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵位于快速百葉窗和焦面之間，允許用受限制的持續(xù)時(shí)間產(chǎn)生一連串的集中太陽(yáng)

16、輻射脈沖。</p><p>　　同步旋轉(zhuǎn)快門(mén)是一種測(cè)量I-V電池曲線的工具，它可以使所有曲線上的點(diǎn)在連續(xù)輻射閃爍中實(shí)現(xiàn)。I-V光伏電池的曲線已經(jīng)通過(guò)使用下列儀器獲得:</p><p>　　Yokogawa PZ4000功率分析器。</p><p>　　Agilent 33220A 波形發(fā)生器。</p><p>　　Kepco雙極直流電源。&l

17、t;/p><p>　　目前通用的距離測(cè)量設(shè)備達(dá)1,000V電壓及30A電流，但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠容易地被延長(zhǎng)或者被修正以達(dá)到測(cè)試要求。 </p><p>　　圖3 I-V曲線測(cè)量試驗(yàn)設(shè)備示意圖</p><p>　　圖3顯示的是測(cè)量I - V曲線的儀器結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置根據(jù)試驗(yàn)設(shè)在太陽(yáng)能爐的焦點(diǎn)位置。其在焦點(diǎn)的位置可在XYZ坐系內(nèi)控制。這樣試驗(yàn)照明時(shí)間可通過(guò)兩

18、個(gè)百葉窗的使用來(lái)控制。該裝置根據(jù)試驗(yàn)與一個(gè)冷卻裝置（利用水流）安裝在一起，以限制其溫度，并用熱電偶測(cè)量其溫度。</p><p>　　如圖3所示，光伏電池的正負(fù)極連接在Kepco雙極直流電源上，通過(guò)波形發(fā)生器（Agilent 33220A）實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換（從Isc到Voc)。波形發(fā)生器能夠生成一個(gè)預(yù)先編程的模擬輸出電壓(在0到±10v范圍內(nèi) ）并且選擇這個(gè)信號(hào)周期。波形發(fā)生器的輸出端被連接在Kepco雙極直

19、流電源控制的模擬電壓上,并且擴(kuò)大輸出電壓量。例如，電壓在30ms內(nèi)以線性直線上升，大約從-0.5到1.3V橫掃通道來(lái)測(cè)試單一AsGa光伏電池。</p><p>　　電路的測(cè)量通道之一被連接到PZ4000上，當(dāng)電壓成分復(fù)雜的時(shí)候，以其在一定范圍內(nèi)測(cè)量電流。同樣，電壓是通過(guò)PZ4000使用四個(gè)電線連接來(lái)測(cè)量的(即電壓的測(cè)量盡可能接近輸出端的光伏電池）。</p><p>　　Yokogawa P

20、Z4000功率分析器的兩個(gè)通道(電流和電壓)作為一種高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其通過(guò)試驗(yàn)在一定范圍內(nèi)測(cè)量電流和電壓。PZ4000能測(cè)量的形式為直流到5M信號(hào)/s，它的精度為0.2％+0.05％范圍內(nèi)。1秒掃描時(shí)間用于：電壓范圍為30V（最低可選），以及分別取決于電流測(cè)量裝置的電流范圍：0.1A（最低可選），0.2，0.4，1及2A。</p><p>　　此外，對(duì)于I-V曲線快速測(cè)量設(shè)備，測(cè)量光伏電池的固定狀態(tài)是慢的[

21、7]（需要4s描述I-V曲線）。測(cè)量范圍上升到電壓1000V和電流100A。</p><p>　　光伏電池濃度是由兩個(gè)不同的系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的光伏電池的電流可以建立于任何濃度，并且可以在任一系統(tǒng)中測(cè)量，它廣泛用應(yīng)于尋找太陽(yáng)熱力系統(tǒng)[8]的太陽(yáng)輻射事件，掃描輻射計(jì)的一個(gè)矩陣掃描電池表面得到一張?zhí)?yáng)表面輻射事件圖。由此，光電池總的反應(yīng)能量可以在圖4所示的測(cè)量太陽(yáng)輻射事件系統(tǒng)圖表上找到。</p>

22、<p>　　為了使光伏電池處于最大電池工作溫度之下，一個(gè)冷卻回路已經(jīng)安裝在熱交換器[9]的電池受熱嚴(yán)重的地方。熱交換器進(jìn)口和出口處的水壓，流速和溫度一直被監(jiān)控。同時(shí)，一個(gè)紅外照相機(jī)盡可能找出溫度在電池前表面的分布，而在后面，T型和K型熱電偶則測(cè)量幾個(gè)不同的重要的點(diǎn)的溫度。</p><p>　　圖4 快速直接流量測(cè)量系統(tǒng)示意圖</p><p>　　所有的信號(hào)都是來(lái)自一個(gè)國(guó)家儀器數(shù)

23、據(jù)采集及控制系統(tǒng)整和的工作臺(tái)，其容納采樣頻率高達(dá)500k個(gè)信號(hào)/s。除了監(jiān)控信號(hào)外,系統(tǒng)也控制冷卻水的流動(dòng)速度以保持電池溫度不變，以及高速轉(zhuǎn)動(dòng)光柵來(lái)控制集中輻射的曝光時(shí)間和百葉窗，因此，光電池的濃度是受限制的。</p><p><b>　　4、試驗(yàn)的可能性</b></p><p>　　安裝在PSA太陽(yáng)爐內(nèi)的試驗(yàn)臺(tái)通?？梢栽?00×100mm2范圍內(nèi)描述和測(cè)試

24、單一電池或濃差電池，然而，這能被容易地改進(jìn)并且適應(yīng)電池/面板的測(cè)試需求。在這100cm2受輻射區(qū)域內(nèi),空間輻射分布的改變小于最大流量的10%。</p><p>　　通過(guò)使用高速轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，使得在十分之幾秒到1ms的時(shí)間內(nèi)，控制溫度和電池曝光時(shí)間的同時(shí)可以集中陽(yáng)光照射電池。這樣，I–V電池曲線可以被劃分和其他參數(shù)一起描述光電系統(tǒng)，例如，短路電流(Isc),開(kāi)路電壓(Voc),功率(Pm),強(qiáng)度和最大功率點(diǎn)處（Im,V

25、m）的電壓,效率（η）等等也都可以確定。</p><p>　　同時(shí)，可以通過(guò)真實(shí)工作條件下研究光電系統(tǒng)的熱行為的方法增加曝光時(shí)間。這樣，所有參數(shù)的變化表達(dá)的光電系統(tǒng)（電池或面板）可以用來(lái)描述溫度的作用。</p><p>　　所有這些測(cè)試都可以在不同的濃度下完成，從有幾個(gè)太陽(yáng)濃度（1-10×）到通過(guò)上面百葉窗獲得的超過(guò)2000×的濃度。所以該系統(tǒng)可以描述整個(gè)一系列不同的作

26、業(yè)濃度，并始終處于自然光照下。</p><p><b>　　5、第一結(jié)果</b></p><p>　　上文所述的是一套表面積從1mm2 到1cm2的位于PSA太陽(yáng)爐內(nèi)的AsGa濃差光伏電池結(jié)構(gòu)。表1是光伏電池試驗(yàn)的概括。</p><p>　　一次試驗(yàn)條件下PSA 太陽(yáng)爐中安裝測(cè)量程序如下:</p><p>　　1、把低速

27、百葉窗打開(kāi)到一定比例。</p><p>　　2、開(kāi)關(guān)高速百葉窗（脈沖）。</p><p><b>　　表 1</b></p><p>　　PSA太陽(yáng)爐內(nèi)的濃差光伏電池試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)的是C=1×時(shí)的理論意義。</p><p>　　圖 5 Hicon7 電池在不同光照輻射濃度下（著色曲線）的I-V曲線<

28、/p><p>　　3、在高速百葉窗開(kāi)放/關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間,PZ 4000自動(dòng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)(由光伏電池提供的現(xiàn)電流控制的)傳送給波形發(fā)生器，讓其產(chǎn)生一預(yù)編上升電壓給kepco直流電源。這樣，在PZ 4000存儲(chǔ)器內(nèi)的經(jīng)過(guò)測(cè)量的電壓和電流是可用的。</p><p><b>　　關(guān)閉低速百葉窗。</b></p><p>　　5、一特有軟件被發(fā)展下載電壓和電流數(shù)據(jù)

29、貯存在PZ 4000內(nèi),并以適當(dāng)?shù)姆绞酱嬖谟?jì)算機(jī)的一個(gè)文件內(nèi)。</p><p>　　電池被放在太陽(yáng)爐試驗(yàn)臺(tái)上，并分別受到不同濃度的太陽(yáng)輻射。相應(yīng)的I-V曲線被一一確定。圖5表示的是各個(gè)光照濃度下得到的不同I-V曲線。由此可以看出，短路電流隨著濃度以及開(kāi)路電壓增加。</p><p><b>　　感謝：</b></p><p>　　作者感謝歐盟委員

30、會(huì)為HiConPV項(xiàng)目（合同號(hào)ENK6-CT-2004-502626）提供的財(cái)政支持。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] S. Van Riensen, R. Lo¨ ckenhoff, F. Dimroth, A.W. Bett, GaAs-Monolithically Interconnected Modules

31、(MIMS) with a Efficiency above 20%, in: Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference. CD-rom. Paris, 2004.</p><p>　　[2] S. Kurtz, D. Friedman, Opt. Photonics News (June 2005) 31.<

32、;/p><p>　　[3] D. Martinez, J. Rodriguez, Surface Treatment by Concentrated Solar Energy: The Solar Furnace at the‘Plataforma Solar de Almeria’. Surface Modifications Technologies, vol. IX, The Institute of Mat

33、erials,London. 1998, pp. 441–447.</p><p>　　[4] W. Warta, G. Siefer, Standard Test conditions for cells and receivers under synthetic light. C-Rating Project Internal Report, 1999.</p><p>　　[5]

34、 Avantes. AvaSpec Operating Manual. v1.2. Electronically available at < www.avantes.com >. 2003.</p><p>　　[6] J. Fernandez-Reche, L. Yebra, High Speed Shutter at PSA Solar Furnace and Other Equi

35、pment. Ref.: PSA-CIEMAT-03-2004. HiConPV Internal Report, 2004.</p><p>　　[7] PV_Engineering GmbH. PVPM1000C Peak Power Measuring Device for PV_Modules Users Manual. 2004 edition. Electronically available at

36、 <www.pv_engineering.de>.</p><p>　　[8] J. Ballestrin, R. Monterreal, Energy 29 (2004) 915.</p><p>　　[9] C. Zahler, Report on Design and Test of the Cooling System. HiConPV Internal Re