非跟蹤型太陽能聚光器的優(yōu)化分析和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、面對(duì)日益增長(zhǎng)的建筑能耗需求，太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，將其與建筑相結(jié)合，是建筑節(jié)能的有效措施之一，也是太陽能應(yīng)用的重要方面。目前隨著人們生活水平的提高，對(duì)建筑能源供應(yīng)的需求越來越高。除了現(xiàn)有的對(duì)電力、熱水需求的增長(zhǎng)，人們開始對(duì)太陽能建筑采暖、制冷、除濕等方面提出了要求，即需要更高品質(zhì)的熱源，尤其是在冬季或者輻照條件較弱的情況下。
　　 聚光條件下的光電光熱綜合利用（Photovoltaic/thermal，PV/

2、T）的提出為這一問題的解決提供了可能。然而，與建筑相結(jié)合的聚光器有其自身特點(diǎn):第一，可以與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，即要求固定安裝，而不需要跟蹤裝置或做季節(jié)性調(diào)整，從而可以使其與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相集成，進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本和裝置的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，為聚光PV/T在建筑中普遍使用提供方便和可能;第二，固定安裝的聚光器必須有較大的接收半角，而接收半角與聚光比呈反比關(guān)系，因此，在確定接收半角的同時(shí)要盡可能的具有較大的聚光比，從而使聚光應(yīng)用更加具有優(yōu)勢(shì)，例如可

3、產(chǎn)生更多的光電輸出或者更高溫度的熱源;第三，聚光條件下的光強(qiáng)分布應(yīng)盡量均勻，從而可以保證聚光條件下光伏電池具有較高的輸出特性，在相同聚光比的條件下為建筑提供更多的電力。
　　 本文著眼于這一顯著的建筑能源需求和應(yīng)用前景，圍繞著以上的三點(diǎn)，開展了對(duì)建筑太陽能一體化中非跟蹤型聚光器的一系列理論優(yōu)化分析和實(shí)驗(yàn)研究工作。研究工作主要包括以下幾個(gè)方面:
　　 1)對(duì)現(xiàn)有的低倍復(fù)合拋物面聚光器(CPC)進(jìn)行研究，包括實(shí)體CPC和鏡面

4、CPC，結(jié)合折射和反射兩種聚光方式，提出了一種新型的Lens-walled CPC的結(jié)構(gòu)。針對(duì)2.5倍幾何聚光比和4倍幾何聚光比的Lens-walled CPC，采用光線跟蹤方式進(jìn)行了不同入射角下的光學(xué)性能模擬，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的聚光光強(qiáng)輻照分布進(jìn)行了模擬。
　　 2)選擇與Lens-walled CPC相匹配的成本較低、光學(xué)性能較好、材料屬性穩(wěn)定持久的折射材料研制了Lens-walled CPC-PV的模塊。采取室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和室外實(shí)驗(yàn)相

5、結(jié)合的方法，進(jìn)行了Lens-walled CPC-PV、鏡面CPC-PV和實(shí)體CPC-PV三者的室內(nèi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)以及將Lens-walled CPC-PV按照南北方向和東西方向分別固定安置的室外測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
　　 3)提出了帶空氣夾層的Lens-walled CPC結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)Lens-walled CPC一系列幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以達(dá)到更高的光學(xué)效率。模擬了一年中不同月份，不同輻照強(qiáng)度條件下系統(tǒng)的光學(xué)性能，并建立了在不同方位角、高度

6、角情況下的系統(tǒng)光學(xué)動(dòng)態(tài)模型，為實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。
　　 4)通過采取方管直接層壓光伏電池的技術(shù)，研制了Lens-walled CPC-PV/T結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并搭建了可與建筑固定安裝的Lens-walled CPC-PV/T復(fù)合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)該系統(tǒng)在合肥地區(qū)進(jìn)行了測(cè)試研究。討論并分析了Lens-walledCPC-PV/T系統(tǒng)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)電性能和熱性能的變化以及全天的綜合性能，著重通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了Lens-wa

7、lled CPC-PV/T全天各個(gè)時(shí)間段的光學(xué)效率、電效率和熱效率，從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了設(shè)計(jì)和優(yōu)化的合理性，為L(zhǎng)ens-walledCPC-PV/T在建筑中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為:
　　 1)將折射材料與CPC內(nèi)壁結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了Lens-walled CPC結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)CPC相比，在相同的幾何聚光比條件下具有更大的接收半角;同時(shí)由于接收半角的增加，可以吸收更長(zhǎng)時(shí)間的輻照，電池的單位面積發(fā)電量增加

8、，從而提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。
　　 2)優(yōu)化了Lens-walled CPC模塊，利用全反射進(jìn)一步提高了聚光器的光學(xué)效率，同時(shí)該結(jié)構(gòu)也改進(jìn)了鏡面CPC的聚光光強(qiáng)分布，更有利于聚光條件下光電轉(zhuǎn)換效率的提高，從而使Lens-walled CPC明顯優(yōu)于鏡面CPC。
　　 3)將新型復(fù)合聚光系統(tǒng)和PV/T的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，利用透鏡折射聚光和復(fù)合拋物面反射聚光的共同作用，在保證聚光效率的前提下，不需要跟蹤機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)部件的前期投入和維護(hù)

9、保障，對(duì)太陽能建筑一體化中非跟蹤型聚光光電光熱系統(tǒng)的性能測(cè)試進(jìn)行了初步探索。
　　 4)在制作工藝方面，選取了方管上表面直接層壓光伏電池的方式，避免了傳統(tǒng)工藝上的鋁板層壓電池后再焊接冷卻管的工藝步驟，為系統(tǒng)的可靠性和初投資的經(jīng)濟(jì)性以及可行性分析提供了依據(jù)。
　　 5)由于lens-walled CPC-PV/T完全不需要跟蹤，可與建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，安置在屋頂或墻壁，避免了一般聚光裝置與建筑結(jié)合較難、跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜、以及