两级透射-反射聚光分频电热联产系统设计和分析

在传统聚光条件下的太阳能光伏发电系统中,由于太阳光中存在所有波段的光子,而其中只有一部分能够被太阳电池用来发电,其余的部分进入太阳电池之后非但不会被用于发电,反而会变成热量使太阳电池升温,从而使电池光电转换效率下降．本文设计了一种聚光且具有分频功能的太阳能电热联产系统,利用线聚焦菲涅尔透镜和光谱选择性透过涂层改善太阳电池表面的入射光环境,在聚光的同时将不利于光伏发电的太阳光波段反射并加以收集利用．分析结果表明,与相同条件下传统的只进行聚光的光伏系统相比,两级透射一反射聚光分频电热联产系统具有更高的太阳能利用效率．     

聚光光伏与温差联合发电装置的研究

针对太阳能量利用率较低的现状,设计了基于砷化镓多结太阳能电池、半导体温差发电片的聚光光伏与温差联合发电装置.通过测量得出单独聚光光伏发电模块在几何聚光比为75时光电转换效率最大,达31.87%;而在加了半导体温差发电模块之后在几何聚光比为112时系统光电转换效率达32.81%,提高了整体光能量转化电能效率.     

槽式聚光光伏-光热化学互补系统中吸热反应管性能研究

本文以槽式聚光光伏-光热化学互补系统为对象,并以甲醇裂解反应为例,探究了该系统内的吸热反应管在入射光谱仅为透过的红外光谱波段时的性能。研究结果表明,当几何聚光比为21.4时,透射到吸热反应管的红外光谱能量转化为太阳能燃料化学能的效率可达54%~58%。此外,还研究了太阳直射辐射强度、甲醇进口流量、甲醇进口温度等关键运行参数对吸热反应管中反应管温度、甲醇转化率等的影响。本文的研究工作为探索聚光光伏-光热化学互补方法提供了一种可能。     

聚光光伏与甲醇重整热化学互补发电系统性能研究

本文提出了太阳能光伏电池与甲醇中低温重整反应相结合的发电系统;通过太阳能的梯级利用以及物理能与化学能之间的品位耦合,太阳能净发电效率较单一光伏或甲醇热化学发电方式获得显著提升。热力学分析表明,在100~250℃C的系统运行温度范围内,系统的理论太阳能净发电效率达43.6%~44.3%(已考虑光学损失),显著高于光伏系统(22.5%)及热化学系统(32.7%)。系统约50%的太阳净发电量来自甲醇重整产物氢气,以化学能形式实现了太阳能的高效储能,且光伏、热化学发电随温度变化的相反趋势间互补达到了稳定输出的效果。此外,系统产生的电能中约25%来自太阳能,高于单一太阳能甲醇热化学发电系统的14%,对化石能源的依赖度降低。光伏与热化学互补发电为太阳能高效综合利用提供了新的思路。     

太阳能分频利用电热联产初步研究

本文对太阳能聚光分频利用电热联产的机理进行了探讨,给出了太阳能光谱有效能函数以及太阳能聚光分频利用电热联产的设计方案,并对该系统进行了热力性能分析,发电投资和成本比较.结果表明,对30倍聚光分频的光伏/光热系统,光伏发电效率约0.095,250～280℃热量利用效率0.14,折算为电的总发电效率为0.139;与普通光伏发电系统相比,单位面积硅光电池发电功率提高约16倍,投资成本仅0.33倍,每千瓦时的发电上网成本可从3.52元降到0.84元,考虑税收后的上网成本将从5.1元降到1.18元.     

半抛物槽式聚光分频光伏系统的性能分析

设计了一种包含13层膜系的分频器,建立了考虑太阳张角影响的三维光学模型,研究了分频对半抛物槽式聚光光伏系统的光、热、电性能的影响,得到了系统能量的光谱分布及光伏电池平面能流密度分布.计算结果表明,系统对AM1.5太阳光谱的光学效率为58.7%,对不同聚光镜开口应选择最优电池倾角以获得最均匀的能流密度;采用分频可以降低电池温度提高聚光系统的聚光比以及光电转换效率.     

太阳能光伏/光热化学利用系统

本文研究了一种基于光谱分频的太阳能光伏/光热化学耦合利用系统。在该系统中,全光谱的太阳能按照波长不同被区分利用。适合光伏电池利用的太阳能被分配给光伏电池进行光伏转换,其它波段的太阳能则转化为热能驱动甲醇裂解反应产生合成气。实验结果表明在太阳辐照强度为712.8 W/㎡,甲醇流量为2.7 kg/h时,系统效率达到31.18%。系统实现了低品位的太阳能向高品位的电能和化学能的转换,为研究太阳能的全光谱高效利用提供了新的思路。     

几种太阳能光伏发电方案的热力分析与比较

本文建立了平板固定式、数倍聚光式、抛物槽一次反射聚光式、碟式反射聚光分频式和菲涅尔透镜聚光式等五种光伏发电方式的光学系统和辐射能量转换器的热物理模型,进行了能量效率和有效能利用率分析,介绍了与太阳不处于热平衡态的地面太阳光谱辐射能的计算式,分析表明在光电池许可的温度下适当提高聚光比可大幅减少光电池使用面积.     

集成太阳能热化学过程的冷热电联产系统

提出了集成抛物槽式双轴跟踪镜场的太阳能与清洁燃料热化学互补的微燃机冷热电联产系统。双轴跟踪的抛物槽镜场产生中低温太阳能热驱动吸收/反应管内甲醇分解生成合成气。合成气作为微燃机燃料,驱动分布式能源系统输出冷热电产品。研究了太阳能热化学关键过程吸收/反应管内甲醇转化率、沿程温度分布规律,对系统进行了能量分析和拥分析。结果表明,新系统热效率为74.74%,系统发电效率达到32.34%。研究结果为高效、稳定利用太阳能和清洁燃料提供了一种有效途径。     

太阳能聚光分频PV/T综合利用系统的光学分析

本文提出了一种改进的太阳能聚光分频光伏光热综合利用系统。聚光系统为倾斜平板菲涅尔反射型聚光器并对太阳双轴跟踪。分频器可将太阳光谱分成两部分同时实现光伏和光热高效利用。通过光线追踪法对该系统进行了光学性能分析,并对系统的结构参数进行优化。结果表明聚光系统具有较高的面积利用率,聚光焦斑均匀性高有利于光伏发电;集热器对分频器反射能流的直接拦截率可达到86%。光热利用温度不受光伏电池工作温度的限制,因此有望获得更高的太阳能综合利用率。     

基于LR305的平面荧光太阳能聚光波导研制

光伏发电是目前太阳能最佳的利用方式之一,但发电成本高。利用聚光结构提高光的转换和收集效率,是提高太阳能电池效率、减少电池用量、降低光伏发电系统成本的重要途径。以Lumogen F Red 305 (LR305) 染料作为荧光材料,将其掺杂到PMMA中,通过本体聚合法制作出尺寸为50 mm×50 mm×5 mm的PMMA平面荧光太阳能聚光波导,对其光学特性进行表征,同时将太阳能电池粘贴到聚光波导的输出端面,通过测试平面荧光太阳聚光波导对太阳能电池性能的影响研究了荧光太阳能聚光波导的聚光特性。     

太阳能高温电解水蒸气制氢系统热力学分析

本文对太阳能高温电解水蒸气制氢系统进行了设计.该系统以太阳能为唯一的一次能源,采用太阳能分频技术,提供高温电解水蒸气制氢所需的电能和热能.此外,利用余热回收器回收电解产物的余热.热力学分析表明:(1)系统制氢效率可达34.8%;(2)太阳能聚光-分频热电联产装置是系统能量和(火用)损失最大的环节.提高电解温度和降低操作电压可减小电解环节的(火用)损失.     

聚光光伏系统

随着传统化石类能源的枯竭和环境污染的日益严重,太阳能光伏发电技术倍受瞩目,但较高的发电成本及原材料的缺乏制约了其大规模发展.以高转换效率、低芯片消耗为核心的聚光光伏技术,在降低光伏发电成本方面被人们寄予厚望.文章主要介绍了聚光光伏系统发展的历史和现状,工作原理及存在的关键问题,并对其发展前景进行了展望.     

太阳能热化学互补发电系统的变辐照性能研究

本文基于10 kW中低温太阳能与甲醇热化学互补发电实验平台,采用不同太阳辐照强度与吸收反应器内甲醇裂解反应、甲醇重整反应两种化学反应的有机集成,提出了一种新颖的变辐照与不同化学反应相匹配的主动调控新方法,针对不同典型日太阳辐照强度偏离设计值,探讨了热化学互补发电系统变辐照工况的特性规律。研究结果表明,在中低温太阳能热化学互补发电系统中,与采用单一的太阳能驱动甲醇裂解反应相比,本文提出的主动调控方法使互补系统的日均太阳能净发电效率从30%提高到36%,更接近设计工况,有效提高了甲醇燃料化学能的梯级利用程度。该方法为减小单位镜场面积、提高太阳能年均净发电效率提供了有效途径。     

高倍聚光光伏模组中三结太阳电池沿光轴方向光电性能与优化

目前,在高倍聚光光伏模组设计中,由于对菲涅耳透镜聚光后各波段的光强分布及其非均匀特性缺乏研究和认识,通常认为在菲涅耳透镜的聚光焦平面处多结太阳电池输出功率最大.本文通过光线跟踪模拟的方法,计算并分析菲涅耳透镜聚光下不同波段的光照能量分布和非均匀特性.同时,结合三结太阳电池电路网络模型,研究在高倍聚光光伏模组中,沿光轴方向不同位置处三结太阳电池的发电性能.结果表明:模组输出功率最高位置在焦平面沿光轴方向上下两侧的位置,优化后模组输出功率比常规设计提高20%以上.该模拟结果得到了实验结果的验证.     

掺杂Rhodamine 6G的平面波导型PMMA聚光器研制

通过聚光波导提高光的转换和收集效率,是提高太阳能电池效率、减少电池用量、降低光伏发电系统成本的重要途径。利用PMMA作为波导基质材料,Rhodamine 6G(罗丹明6G)作为荧光染料,通过涂覆方法,在表面积为50 mm×50 mm、厚度为5 mm的洁净PMMA衬底上制备出了荧光层厚度约为32 μm的平面波导型聚光器,并研究了荧光染料的掺杂浓度对其聚光比和光伏性能的影响。结果表明,当掺杂浓度为0.250%时,聚光器的聚光比和器件的光伏性能达到了最优,分别为0.45%和0.49%。     

全碳太阳能热光伏系统

太阳能热光伏发电是太阳能利用的重要途径之一。碳纳米材料具有优异的物理化学特性,因此是极具吸引力的太阳能热光伏系统材料。本文提出一种基于碳纳米材料的全碳太阳能热光伏(CSTPV)系统,竖直排列多壁碳纳米管阵列作为吸收器;堆木头结构多壁碳纳米管薄膜作为发射器。堆木头结构使发射器在两种偏振条件下都具有与光伏电池能带间隙匹配的波长选择发射率。本文结合能量平衡模型和等效电路模型建立了可靠的CSTPV系统理论模型,并对CSTPV系统进行表征。当发射器吸收器面积比为3,太阳能聚光倍数为3000时,系统效率达到最大值16.2%,比相同条件下钨发射器太阳能热光伏系统最大效率(12.4%)提高了30.6%。     

双面菲涅耳聚光镜设计

为了减小光伏发电聚光系统的轴向尺寸,使聚光系统的厚度更薄、质量更轻,讨论设计了一种透射式双面菲涅耳聚光镜。通过设计,使光线在通过双面菲涅耳聚光镜的前表面环带后进入相应的后表面环带,减少了光能损失,使太阳能电池获得的能量密度更高。推导并给出了双面菲涅耳透镜的后表面环带设计公式。用光学设计软件Light Tools模拟了双面菲涅耳聚光镜的光学能力,并对模拟结果进行了分析评价。给出了一个口径为200 mm,焦距为120 mm,F数为0.6的双面菲涅耳聚光镜设计实例,在波段为380~760 nm,太阳张角为0.55°时,聚光系统的聚光效率达到85%,与相同口径相同焦距的传统菲涅耳透镜相比,聚光效率提高了21.1%。     

PbS量子点在荧光集光太阳能光伏器件上的应用

荧光集光太阳能光伏器件在平面光波导效应的作用下实现等效聚光,可以减少太阳能电池的用量,有效降低光伏发电的成本。将胶体化学法制备的吸收和发射在近红外波段的单分散球状PbS量子点荧光材料封装于两片光伏超白玻璃间的正己烷溶液中,构成溶液夹层封装的平面光波导,并和效率为17%的单晶硅太阳能电池耦合,制作出了吸收在700～1000nm,效率约为1.31%的近红外荧光集光太阳能光伏器件。     

半导体激光无线传能中光伏电池转换效率

为选择合适的激光参量与光伏电池参量,以提高激光无线能量传输(LWPT)系统的能量转换效率,通过实验研究了LWPT系统中能量接收单元,也即光伏电池在半导体激光照射下的输出特性。通过波长为808 nm和915 nm的激光辐照GaAs和Si光伏电池,研究了不同激光功率密度、光伏电池温度、电池类型以及激光入射角度对光伏电池输出特性与能量转换效率的影响。实验中,在波长为808 nm的激光功率密度从0.06 W/cm2上升至0.37 W/cm2的过程中,Si电池的最大输出功率从0.12 W上升至0.32 W,能量转换效率从50.9%下降至21.2%;GaAs电池的最大输出功率从0.40 W上升到1.07 W,能量转换效率从57.9%下降至23.8%。随着激光功率密度的增加,光伏电池的输出功率先增加而后趋于饱和,但是高功率密度激光引起的电池温升会导致其光电转换效率的下降,所以激光功率密度的选择与光伏电池温度的控制是提高LWPT系统能量转换效率的关键因素。