聚光光伏发电（精选八篇）
聚光光伏发电 篇1
在太阳能有效利用中, 太阳能光伏发电发展最快, 已被广泛应用[1,2,3]。其中, 聚光光伏系统凭借其不断提高的电池和组件效率有很大的潜力降低发电成本[4,5,6], 随着聚光光伏技术的日趋进步, 国内外已开展了很多研究项目, 并建成了许多示范工程[8,9,10]。
云南石林地处低纬度, 终年太阳高度角大, 太阳辐射强, 加之高原空气稀薄、清晰, 阳光透射率大, 因此, 年太阳辐射量大, 光能充足, 日照时数2 339 h, 全年太阳总辐射量为530~573 k J/cm2, 拥有丰富的太阳能资源, 是太阳能开发的有利地区。
因此, 本文主要针对云南石林地区, 对1 MWp高倍聚光光伏发电并网系统进行研究设计, 并分析其经济效益、环保效益, 提出了在云南石林地区建聚光电站具有重要意义。
1 高倍聚光光伏发电系统设计
高倍聚光光伏发电系统主要包括高倍聚光光伏组件、架体、方位和仰角驱动器、太阳跟踪系统、控制器、逆变器等。
1 MWp高倍聚光光伏电站采用分块发电、集中并网方案。如图1所示, 将1 MWp聚光光伏组件分为2个500 k Wp方阵, 分别与一台500 k W逆变器相连, 2台逆变器的输出并联接入1台升压变压器的初级, 升压变压器的次级 (高压侧) 与35 k V高压电网相连。
1.1 高倍聚光光伏阵列设计
1.1.1 聚光光伏组件的选型
聚光光伏组件是太阳能发电系统的核心部件, 其光电转换效率、各项参数指标的优劣直接影响整个光伏发电系统的发电性能。国内对聚光光伏技术的研究相对国外较晚, 因而生产聚光光伏组件的厂商较少, 选应用相对成熟的聚光光伏组件SKS-M10-33、SCPV-500及DDMS-1090X, 其技术参数比较如表1所示。
通过计算, SKS-M10-33、SCPV-500及DDMS-1090X型聚光光伏组件建成1MWp聚光电站的方案比较如表2所示。
从表1和表2比较可以看出:DDMS-1090X型的聚光光伏组件最佳工作电流、最佳工作电压、短路电流、开路电压的综合指标较高;采用该组件建成1 MWp聚光电站所使用的组件数量最少, 组件数量少意味着组件间连接少, 故障几率少, 接触电阻少, 线缆用量少, 系统整体损耗也会降低。
因此, 1 MWp聚光电站选用DDMS-1090X型聚光光伏组件。
1.1.2 聚光光伏组件串并联的设计
500 k W光伏并网逆变器的直流工作电压范围为:400~900 Vdc, 聚光光伏组件串联的组件数量Ns=900/47.7≈18 (块) , 一套太阳跟踪系统上安装3×6组件 (18块) , 总功率P=18×450=8 100 Wp。
单台500 k W光伏并网逆变器需要配置太阳跟踪系统并联的数量Np=500 000÷8 100≈62列, 实际功率达到502.2 k Wp, 这样1 MWp聚光电站需设计为2个单元62套太阳跟踪系统, 共计124套太阳跟踪系统, 2 232块聚光光伏组件, 实际峰值功率达到1.004 4 MWp。
1.1.3 聚光光伏阵列运行方式的设计
常用的太阳电池组件支架有固定式支架、水平单轴跟踪支架、倾斜单轴跟踪支架 (也称倾纬度角单轴跟踪支架) 和双轴跟踪支架。对于聚光电池阵列, 必须采用跟踪系统, 高倍聚光电池阵列必须采用双轴自动跟踪系统, 对跟踪精度要求很高[11]。目前国内生产聚光型双轴自动跟踪系统的厂商非常少, 选某公司自主研发T系列双轴自动跟踪系统, 该系统具有跟踪精度高 (±0.5°) 、旋转角度范围宽、自身耗功小、抗风能力强等特点。
1.1.4 聚光光伏阵列间距的设计
并网光伏电站场区设计的原则是:尽量减少占地面积, 提高土地利用率和光伏阵列之间不得相互遮挡。一年中冬至日太阳高度角最低, 我们在设计中按照冬至上午9:00至下午3:00不遮挡为计算设计依据, 云南石林地区北纬φ=24°48', 东经Lloc=103°20', 太阳赤纬角δ=-23.4°。
设聚光光伏阵列垂直净高度为L, 影子的长度为Ls, 太阳的高度角为h, 方位角为α, 那么影子Ls可由下式表示[12]:
根据球面三角函数分析认为太阳高度与观测者的地理纬度、太阳赤纬和时角有着一定关系, 它们之间的关系式为
冬至日太阳方位角可由下式表示[13]:
聚光光伏阵列垂直净高度为5.5 m, 由式 (1) 、式 (2) 及式 (3) 求得聚光光伏阵列之间的间距为6.82 m, 取整设计为7 m。
1.2 逆变器的选型
并网逆变器是光伏发电系统中的关键设备, 对于光伏系统的转换效率和可靠性具有举足轻重的地位, 其主要功能是把太阳能电池方阵输出的直流电转换成与公用电网相同电压和频率的交流电, 同时还具有异常或故障时的保护功能。本次设计根据安装容量选择某公司的Sun Access系列500 k W逆变器2台, 该系列逆变器在可靠性、转换效率、电能质量等各项技术指标均达到国际先进水平, 拥有宽范围MPPT (420~880 V) 、低压穿越功能、高效率 (97.6%) 、适应严酷环境、无功率可调等特点, 同时具备过压、短路、孤岛、过热、过载等完善的保护功能。
1.3 智能汇流箱的选型
智能汇流箱是光伏发电系统中的重要组成部分, 其主要作用是按照一定的串、并联方式将光伏阵列连接到一起, 以便对光伏阵列实施监控。设计中采用某公司的JTPV-CB8型智能汇流箱16台, 该汇流箱8路直流输入, 1路输出;最大输入电压为1 000 V;最大输出电流为100 A, 采用热镀锌钢板结构, 具备多种方式数据远传、自身耗功小、配有模块化智能检测单元和光伏专用防雷器等特点。
1.4 直流配电柜的选型
每台直流配电柜按照500 k Wp的直流配电单元进行设计, 1 MWp聚光光伏电站需要2台直流配电柜。每个直流配电单元可接入6路光伏方阵防雷汇流箱, 每台直流配电柜分别接入1台500 k W逆变器, 设计中选某公司的JTPV-DC型直流配电柜, 该配电柜最大电压为1 000 V, 输入输出回路数可根据具体方案定制, 具有防雷、短路、过载等保护功能。
2 系统年发电量计算及效益分析
2.1 年发电量计算
光伏发电并网系统效率受很多因素的影响, 简化后, 主要由光伏阵列的效率、光伏并网逆变器转换效率和其他效率三部分组成。
(1) 光伏阵列效率η1:光伏阵列在1 000 W/m2太阳辐射强度下, 实际的直流输出功率与标称功率之比。光伏阵列在能量转换过程中的损失包括:组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响、最大功率点跟踪精度、及直流线路损失等, 取效率95%计算。
(2) 光伏并网逆变器转换效率η2:光伏并网逆变器输出的交流电功率与直流输入功率之比, 取效率96%计算。
(3) 其他效率η3:从逆变器输出至高压电网的传输效率, 其中主要是升压变压器的效率, 取变压器效率95%计算。
因此, 系统总效率为η=η1·η2·η3=87%。
云南石林全年太阳总辐射量为530~573 k J/cm2, 取551.4 k J/cm2, 换算成太阳能发电的常用单位则为1 531.57 k W·h/m2。按标准辐射 (AM1.5, 1 000 W/m2) 换算, 相当于全年标准日照时间为1 531.57 h, 平均每日标准日照4.2 h。计算可得, 1 MWp聚光光伏发电并网电站全年发电量约为1 531.57×1 004 400/1 000=153.83万k W·h, 实际年发电量为153.83×0.87=133.83万k W·h, 具体发电量视当年实际太阳辐射量而定。
该聚光系统采用了双轴自动跟踪系统, 与固定安装方式相比, 聚光光伏组件接收太阳辐射的效率能提高约39.7%, 也就是说, 光伏发电量大约增加了39.7%[14]。因此, 1 MWp聚光光伏发电并网电站全年发电量为133.83+133.83×39.7%=186.96万k W·h, 考虑到所采用聚光组件的太阳电池衰减率为0.8%, 则25年累计总发电量为4 251.65万k W·h, 平均每年发电量为170.07万k W·h。
2.2 效益分析
2.2.1 经济效益
按目前石林居民用电0.45元/k W·h计算, 每年可节省电费76.53万元。按该电站20年运营期计算, 累计发电4 251.65万k W·h, 总计可节省电费1 913.24万元, 实际运行20年后, 该电站仍具有发电能力, 具有良好的经济效益。
2.2.2 环保效益
1 MWp聚光光伏并网发电系统每年总共发电量为170.07万k W·h, 可节约612.25 t标准煤, 并减少1 360.97 t二氧化碳、11.05 t二氧化硫、5.44 t氮氧化物、329.39 t粉尘。由此可见, 该光伏发电系统有明显的节能减排效益。
3 结论
本文主要针对云南石林地区, 对1 MWp高倍聚光光伏发电并网系统进行研究设计。在设计中, 共采用聚光光伏组件2 232块, 1套双轴自动跟踪系统安装3×6组件 (18块串联) , 共采用124套双轴自动跟踪系统并联接入16台智能汇流箱, 经过2台直流配电柜、2台逆变器, 最后接入1台升压器, 再与35 k V高压电网相连, 实现并网发电。同时计算出, 聚光光伏阵列之间的间距为7 m;理论年发电量为170.07万k W·h。
昊阳新能源:决战聚光光伏 篇2
“我现在可以更加有信心地说，CPV应该在2012到2013年有一个大规模应用的井喷发展。”朱忻说。2008年，朱忻从美国归国创办了昊阳新能源，希望把美国的研发积累和中国的低成本制造相结合，把CPV产业带入低成本应用时代。在他回国近两年之后，上市公司三安光电和乾照光电也相继宣布从LED行业跳入CPV产业，中国的高聚光正在走近市场的聚光灯。
什么是高聚光光伏?它的基本原理说起来很简单，就是一个放大镜。通过把太阳光聚集到一点，配以高效电池，提高光电转换率，减少半导体电池使用量，降低成本。
昊阳采用的是国际上通用的砷化镓电池。与晶体硅电池只对阳光中的红光敏感不同，砷化镓三结电池通过不同材料层的叠加可以实现对红绿蓝三色光的吸收。“从本质上说，砷化镓电池的转换率就要远高于晶体硅电池。”朱忻介绍说。现在国际上商业化的砷化镓电池转换率做到了39％，而在它的基础上，技术领先的组件商能够做到25％的转换率，显著高于多晶硅的16％至17％。朱忻告诉《创业家》，昊阳的组件效率已经进入了行业领先集群。
聚光光伏的产业链由三个主要部分组成，分别是：逐日跟踪器、砷化镓电池和组件。对于CPV组件来说，只有在太阳直射的前提下，才能实现最高的转化率，所以，逐日跟踪器是其中的必需配件。而砷化镓电池是整个系统的心脏，电池效率根本上决定了组件效率。
朱忻的布局是打通产业三大核心。这个架势很有点像英利在多晶硅中打通全产业链的战略。
除了逐步完善的组件技术之外，昊阳的跟踪器在最近一年取得了重大突破。2009年，吴阳中标敦煌10兆瓦示范光伏电站(仍然使用晶体硅电池组件)全部逐日跟踪器订单，到今年8月中旬，已经完成了其中9兆瓦的安装。“从电站的排布设计开始，都是我们来完成的。这给我们积累了非常宝贵的兆瓦级大型电站的设计和安装经验。”朱忻说。同时在这一年中，昊阳对跟踪器的跟踪精度和自动化程度都进行了大幅改进。
跟踪器的规模化量产使得昊阳在创业第二年就有了4500万元的收入。继敦煌之后，昊阳又中标了国内外多个电站项目。
在国内量产跟踪器的同时，朱忻还在美国组织研究团队，独立开发砷化镓电池。他透露，公司已经有电池量产的时间表。“到时将大幅降低我们组件的制造成本。”
新型聚光光伏发电系统太阳能板设计 篇3
1 结构设计
在4倍聚焦光照环境下，太阳能电池片承受较高的热负荷，发热会大幅度增加，电池片温度的上升不可避免。传统的太阳能板能够承受的表面温度为工作温度-40～85℃，极限温度为95℃，温度过高会造成电路烧坏，硅板功能丧失[1]。因而考虑增加相应的散热系统辅助电池散热，将电池温度维持在可接收的范围内，这是散热系统设计目的所在，而散热器的选取和安装方式也需要进行配套设计。
1.1 太阳能板结构研究
传统的太阳能板的结构如图1所示[2]，其中各种材料的物理性质如表1所示。经过分析发现EVA和PET板在传统的太阳能电池中承担的作用主要是防水和防尘作用，其对辐射换热的影响不大，但是对于对流换热和导热有很大的影响，因此分别对传统的太阳能板进行改装，去掉背面的EVA和PET，然后外加散热片散热，发现能够满足足温度的要求，但是考虑到需要对组件进行较大的改动，包括去除封装必须的EVA和PET，不能确保工艺上可行，且不确保满足对电池板进行保护的要求，如此设计的组件寿命将无法保证[3]。散热系统的改造，应尽可能少改动组件结构，不打破封装要实现的防水、防尘、防紫外线的硬性规定，最简单的方案便是在PET后部增加外挂式的翅片散热片。
因此最终决定封装结构仍采用传统形式，如图1所示，使用导热EVA（导热系数0.8）替代传统EVA。对传统组件进行改装，直接在PET外侧加装外挂式散热器，使用导热硅胶片填补铝散热器与PET直接的空隙以增强导热，散热器与边框使用螺栓连接。
组件散热系统机械结构主要包括散热器形式、散热器尺寸、散热器与组件的连接以及散热器与组件PET背板的贴合。
1.2 散热器选取
散热器要在能满足系统热负荷的前提下，结构尽可能简单，体积尽可能小，以降低制造成本和材料成本[4]。散热片与组件的连接形式要易于装卸、结构简单、附件少且不影响组件与支架的连接，散热片与PET背板的贴合要做到平整度高、贴合高效，尽量减少贴合风险，提高导热能力，且贴合形式以及附属填充物耐风沙，寿命长。
散热器的热阻计算公式如下：
为最大结温，为环境温度，Q为热耗，为发热件到表面热阻，为界面热阻，它取决于散热片的装配或衬垫材料特性。通过上述的公式可以计算散热器的需求热阻，求得需求热阻可以确定散热器的表面参数。
本文设计太阳能板参数为1120×78×0.2(mm），通过计算选取散热片为DY-AD110型号的外挂式散热片，尺寸如下图所示：
外挂散热片通过导热硅胶片与组件背面的PET贴合，导热硅胶片用于填充PET与散热器间的空隙，组合三维图如图3。
由于组件接线盒的存在，散热片不能覆盖整个组件背部区域，接线盒部分的热量无法及时向散热片传递，此处热应力应该较其他部位高，具体数值通过后续的有限元热应力分析确定。
1.3 散热片与组件固定方式的确定
组件与散热片的连接要简单、高效，胶体粘合成本低廉，但大面积粘贴需要专用的涂抹工具，样机试制时不易于实现，故考虑使用压条压载的方式将散热片与太阳能板结合。得知一种边框结构参数如图4。
这种组件边框结构可以使安装简便，便于维修，同时结构轻便，经济性好。可在边框外部使用压条连接组件与散热片，结合可靠，安装便捷，连接三维图如图5。
2 散热模拟
针对设计的新型太阳能板结构，运用有限元软件ANSYS进行传热分析，对设计进行验证和改进，ANSYS在热分析中分别有瞬态和稳态模拟条件，对实际散热状况模拟较准确[5]。
2.1 模拟条件
模拟辐照度为1 000 W/m2，阳光从玻璃板一侧照射，玻璃板和硅太阳电池反射的部分占20%，硅太阳电池的转化效率始终保持在14%，其余部分被硅太阳电池吸收转化为热量[6]。则将这一部分太阳光的辐射能以热流的方式加载在硅太阳电池的上表面上，正常太阳光照下该热流密度为：
4倍聚光条件下热流密度为：
在ANSYS中，为对应材料设置相应参数，然后用SOLID70单元对分析模型进行智能网格划分，建立空间节点。
查阅文献[7]得到在101.33kPa,300 K下，干空气的物理性质为：导热系数K=2.675×10-2，普朗特常数P=0.701，运动粘度系数ν=1.86×10-5，一般户外的风速为4 m/s，聚光组件铝基板的尺寸为0.1×0.1m2，则雷诺数选取2.1e104，确定努塞尔数85.477，平均对流系数22.865 W/(m2·K)。环境温度为300 K，对流换热系数为22.865 W/(m2·K)。瞬态分析时间长度为1800秒。在分析的过程中的瞬态分析步长定为0.1。
2.2 模拟结果分析
从以上结构推测，由于接线盒的存在，接线盒下方的太阳能电池温度将高于其他组件其他部分。太阳能公司提出边框宽度可以进行调整，故在仿真建模中将散热器宽度设置成80 mm，能完全覆盖太阳能电池板。仿真结果如图6所示。
仿真结果可见，使用高度为8 cm的翅片散热器，能大幅度降低电池表面温度，电池最高温度为388 K，约为115℃，位于接线盒下部无被动散热器覆盖部分，硅光电池片其余部分温度均分在315 K(42℃）上下，符合设计需求。而针对于电池盒覆盖的电池板部分，可以酌情进行缩小电池板大小，使散热片全部覆盖电池板。
3 结论
从仿真可得，除无散热片覆盖的接线盒部分的电池温度不能达标外，其余部分均能满足需求，且散热片和电池温度均处于较低的温度状态，若能将接线盒以其他形式安装，增大散热器的覆盖面积，接线盒下部的高温区域即可得到良好散热，组件最高温度进一步降低，最终达到设计需求；同时，散热器高度可适当降低，容许组件温度在满足电池片温度不超过85℃的情况下适当升高，以节省散热器成本。
参考文献
[1]田玮,王一平,韩立君,等.聚光光伏系统的技术进展[J].太阳能学报,2005,26(4):597-640.
[2]宁铎.折面型抛物柱面太阳能聚光器[J].西北轻工业学院学报,2002,20(4):72-74.
[3]Marti A,Luque A.Next Generation Photovoltaic,High Efficiency Through Full Spectrum Utilization[J].Institute of Physics.Publishing,2002(9):108-112.
[4]刁红泉.基下DSP的二相混合式步进屯机脉冲细分驱动系统[D].杭州:浙江人学,2005.
[5]苑进社.常规单晶硅太阳电池在低倍聚光条件下应用研究[J].太阳能学报,2003,24(2):253-256.
[6]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M].第2版.西安:西北工业大学出版社,2007.
槽式光伏聚光器能流密度均匀化设计 篇4
目前研究和应用较多的槽式光伏聚光器,由
于其反射镜截面是抛物线形式而电池板平行于反射镜槽开口安装,导致聚集到电池板表面的光强呈现不均匀分布,在太阳电池中心附近能流密度大,边缘部分密度小,且聚光倍率越高,这种不均匀程度越高,导致能量损失也越多,同时会降低电池效率和使用寿命[1]。有很多学者对这种现象进行了研究。Andreev等[2]对能流密度的分布及其对电池发电效率的影响进行了较为系统的研究。Franklin等[3]的研究表明,抛物槽聚光器产生与高斯曲线相似的光强分布,与均匀光照时相比,聚光电池的开路电压和效率都会下降,且随着中心光强的增强,下降的幅度会更大。Araki等[4]重点研究了不均匀聚光条件下太阳能电池开路电压与温度的关系。舒碧芬等[5]研究了聚光不均匀性对电池寿命的影响,并在此基础上对电池结构进行了结构优化,以提高电池的使用寿命。
为改善聚光器能流密度的均匀性,众多学者做了诸多努力。许志龙等[6]研制了一种蝶式光伏发电聚光器,该聚光器采用多块平面反射镜,并通过巧妙的结构设计,使得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,实现数倍聚光功能,从而提高单位面积太阳电池的发电效率。这种聚光器具有很好的能流密度均匀性,但它仅适合聚光比为2～12倍的聚光系统。江守利[7]设计了一种半抛物槽式聚光系统,该系统改变了电池板正对太阳的设计方法,能流密度均匀性得到一定的改善。Chen[8]在聚光系统中增加了二级匀光装置,研究了二级匀光装置对能流密度改善程度及电池效率的影响,研究结果表明,二级匀光装置可较好地提高能流密度的均匀性和发电效率,但系统的复杂性和成本会增加。
本文首先对常规光伏聚光器能流聚光比进行数学建模,研究能流密度分布不均匀的原因,继而提出一种新的聚光器电池板布置方式,以改善能流密度的分布,在此基础上对该新型聚光器的能流密度进行建模和分析;最后采用粒子群优化算法对新型光伏聚光器的关键参数电池板倾斜角度进行优化,以进一步提高能流密度的均匀性。
1 能流聚光比计算模型与分析
1.1 能流聚光比计算模型
目前研究和应用较多的光伏聚光器槽型为连续曲线形式,电池板平行于抛物槽开口平面布置,其示意图见图1,图中电池板的宽度为Wp,聚光槽的开口宽度为Wt,电池高度为h。聚光器槽型曲线和电池板方程分别为
y=f(x) (1)
考虑到跟踪精度、太阳张角和反射镜变形等因素,入射光线一般不会垂直入射聚光槽,令其夹角为θ(图1),根据几何光学原理,聚光槽曲线上任意点(x0,y0)对应的光线入射方程为
y-y0=(x-x0)tan(90°-θ) (3)
相应的反射光线方程为
y-y0=(x-x0)tan(2α-90°+θ) (4)
式中,f′(x0)为曲线y=f(x)在点(x0,y0)处的导数。
因此,反射光线与电池板交点(xW,yW)满足:
考虑理想状态,即太阳光垂直入射状态时,θ=0°,则有
当给x0一个增量Δx时,xW也将获得一个增量ΔxW,且有
因此,在点(xW,yW)处聚光器的能流聚光比为
对于形如
A=1/(4f)
式中,C为几何聚光比。
1.2 能流聚光比仿真分析
以抛物槽式聚光器开口宽度Wt=4000mm为例,分别模拟了不同几何聚光比下的能流聚光比,如图2、图3和表1所示,其中图2a是理想状态(即θ=0°)时的能流聚光比曲线;图2b是考虑了跟踪误差等因素导致太阳光不能垂直入射抛物槽时的能流聚光比曲线,这里假定θ=0.5°。图3则模拟了抛物槽焦距对能流聚光比的影响。表1计算了图2中的能流聚光比均值和标准差。另外,模拟时忽略了电池板的遮挡作用。
从图2a可以看出,由于几何聚光比C大于1,抛物槽反射的太阳光线被不同程度地聚集到电池板上,且这种太阳能被聚集的程度随着C的增大而增加,同时随着C的增大,其能流密度分布更加趋于不均匀化。图2b显示了相似的变化趋势,但由于θ≠0°,导致左右两侧的能流聚光比不再对称。
从图3可以看出,当抛物槽开口宽度和几何聚光比一定时,能流聚光比分布随焦距增大而趋于均匀化。也就是说,抛物槽越平坦,电池板能流聚光比分布越均匀,但此时电池板高度也将增加(参见式(9)),这导致聚光器尺寸变大,控制难度增加。因此,在设计光伏聚光器时,不能通过增加焦距来实现较为均匀化的能流聚光比。
在图2b和图3b中一个值得关注的现象是,当θ≠0°时,相对于理想状态,电池板右侧的能流聚光比趋于均匀化。事实上,当θ>0°(顺时针为正)时,太阳光线与电池板焦点横坐标xW也向右偏移,从而减小太阳能在电池板中心的聚集程度,进而使能流聚光比趋于均匀化。而θ>0°的情况相当于太阳垂直入射且电池板逆时针旋转θ时的能流聚光比,因此,可以通过改变电池板布置方式来改善光伏聚光器的能流聚光比。
2 光伏聚光器能流密度改进设计
2.1 新型光伏聚光器结构及其能流聚光比建模
若电池板在左右两侧倾斜放置,形成一个V形槽结构,如图4所示(图中F为抛物槽焦点,B为抛物槽右侧边缘点,A为右侧电池板与直线BF的交点),则其右侧电池板方程为
y=kwx+b (10)
式中,kw为直线斜率;b为直线在y轴上的截距。
当聚光器抛物槽焦距f、开口宽度Wt和几何聚光比C等参数确定后,根据图2所示的几何关系,电池板方程在y轴上的截距b满足以下关系:
令反射光线与右侧电池板的交点为(xW,yW),则根据理想状态下常规光伏聚光器能流聚光比的建模方法,有
类似地,理想状态下左侧电池板的能流聚光比为
2.2 新型光伏聚光器能流聚光比仿真分析
以抛物槽式聚光器开口宽度Wt=4000mm,焦距f=1500mm为例,分别模拟了几何聚光比为10、20、30时的新型光伏聚光器能流聚光比分布,如图5所示,图中,β为电池板倾斜角度。
从图5a可看出,能流聚光比随几何聚光比增大而增大,且变化幅度也随之增加。从图5b可看出,由于θ>0°,右侧电池板的能流聚光比要比左侧大。为比较新型光伏聚光器对能流聚光比圴匀性的改善程度,表2给出了图5中能流聚光比的均值和标准差,并与表1进行了比较。图6直观地比较了C=30时两种光伏聚光器的能流聚光比。计算结果表明,在理想状态下,新型光伏聚光器能流聚光比的标准差仅为常规聚光器的17%,而在C=30和θ=0.5°的情况下,新型光伏聚光器能流聚光比的标准差也仅为常规聚光器的28%。因此,新型聚光器可大幅改善电池板的能流聚光比分布,使之趋于均匀化,提高光电转换效率,从而延长电池板使用寿命,降低成本。
3 新型聚光器参数粒子群优化设计
从上述模拟计算和分析可以看出,电池板的倾斜角度对能流聚光比的影响很大,是新型光伏聚光器的一个重要参数。为获得最优的能流聚光比分布,需建立系统的优化模型,并进行总体寻优。
3.1 优化设计模型
(1)设计变量。
新型光伏聚光器参数主要有几何聚光比C、抛物槽开口宽度Wt、电池板宽度Wp、焦距f以及电池板倾斜角度β。这里假定C、Wt、Wp和f均为给定参数,仅对电池板倾斜角度β进行参数寻优(其取值范围为0°～90°),在此基础上,研究Wt等参数对β最优值的影响。
(2)目标函数。
取能流聚光比的标准差为优化的目标函数,即
其中,a0为xW的下限,a0=0;a1为xW的上限;μ为能流聚光比的均值。
另外,考虑到理想状态下左右两侧能流聚光比曲线具有对称性,因此仅取右侧进行优化。
3.2 优化算法及优化结果
考虑到以上目标函数的复杂性,利用粒子群算法(PSO)[9]对上述优化模型进行优化。但标准的PSO算法并不能保证设计变量一直在可行域内搜索,比如对于本文的优化模型,PSO算法在搜索时,可能会出现α∉[0,90°)等情况,此时可能已无物理意义,且该粒子可能很难再次进入可行域,最终导致优化失败。考虑到标准PSO算法的这种缺陷,首先采用蒙特卡洛法产生符合约束条件的粒子群初始位置。然后进行搜索,且每次更新设计变量后,检验其是否满足约束条件,如果不满足,则用蒙特卡洛法产生新的粒子进行替代。
通过大量的优化计算发现,最优的电池板倾斜角度βop和几何聚光比C无关,而仅和聚光器槽宽Wt及焦距f有关,但关系较为复杂。进一步的研究发现,当聚光器的边缘角φ(图4)相同时,βop也相同。大量计算表明,βop和边缘角φ存在以下线性关系(图7):
βop=0.4134φ-1.0736°
其中,βop和φ的单位均为(°)。
4 结论
(1)对于常规光伏聚光器,其能流聚光比的标准差随几何聚光比和聚光精度的增大以及焦距的减小而显著增强。当C=30时,理想状态下,能流聚光比最大值比最小值大44;而当θ=0.5°时,这一差值达到68,严重影响聚光器的效率和寿命。
(2)本文提出了一种电池板为V形槽式的光伏聚光器结构,尽管能流聚光比的标准差仍随几何聚光比的增大、聚光精度的增加以及焦距的减小而增强,但均匀性有极大改善。在理想状态下,其能流聚光比的标准差仅为常规光伏聚光器的17%;而当C=30、θ=0.5°时,这一比例也不到30%,改善程度明显。
(3)新型光伏聚光器电池板的倾斜角度对能流聚光比的分布有很大影响,倾斜角度最优值βop不受几何聚光比的影响,βop和边缘角φ成线性关系。
(4)新型光伏聚光器的平均能流聚光比与常规聚光器相当,聚光器整体重量并未增加,它对传动控制系统的要求与常规聚光器相同。
摘要：从理论上推导了常规槽式光伏聚光器能流聚光比的计算模型,分析了该聚光器能流密度极不均匀的原因,探讨了改善聚光器能流密度均匀性的可能性。在此基础上,提出了一种新型聚光器结构形式,即太阳能电池呈V形槽式的抛物槽式聚光器,从理论上推导了新型聚光器结构的能流聚光比计算模型,分析了聚光器参数对能流密度分布的影响。最后通过粒子群优化算法对该新型模型参数进行了优化。计算和优化结果表明,该新型结构的能流聚光比的标准差小于常规聚光器的30%,极大地改善了槽式光伏聚光器能流密度分布。
关键词：光伏聚光器,能流聚光比,V形槽式太阳能接收器,粒子群优化方法
参考文献
[1]田玮,王一平,韩立君,等.聚光光伏系统的技术进展[J].太阳能学报,2005,26(4):597-640.
[2]Andreev V,Grilikhes V,Rumyantsev V,et al.Effect of Nonuniform Light Intensity Distribution on Tem-perature Coefficients of Concentrator Solar Cells[C]//Proceedings of3rd World Conference on Pho-tovoltaic Energy Conversion.Osaka,Japan,2003:881-884.
[3]Franklin E T,Coventry J S.Effects of Highly Non-uniform Illumination Distribution on Electri-cal Performance of Solar Cells[C]//ANISES Solar Conference.Newcastle,Australia,2002:1-8.
[4]Araki K,Yamaguchi M.Extended Distributed Model for Analysis of Non-ideal Concentration Operation[J].Solar Energy Materials&Solar Cells.2003,75(3/4):467-473.
[5]舒碧芬,沈辉,梁齐兵.聚光光伏系统接收器结构及性能优化[J].太阳能学报,2010,31(2):185-190.
[6]许志龙,刘菊东.蝶式光伏发电聚光集热器的研制[J].太阳能学报,2007,28(2):174-177.
[7]江守利.反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究[D].合肥:中国科技大学,2009.
[8]Chen Z W.Study of Optical Homogenizer in Solar Concentrator System[D].高雄:国立高雄应用科技大学,2008.
提高太阳能转化率—聚光光伏太阳能 篇5
作为天然资源, 无污染的太阳能和风能、地热、潮汐等可再生资源一样早就被科学家深入研究了, 这项技术的原理不复杂, 但其瓶颈——能量的转化效率一直都是各国科学家关注的焦点。
硅这种价格不菲的半导体决定了效率。目前所广泛使用的硅基太阳能电池其光电转换效率理论最大值仅30%。以单晶硅为例, 它在实验室里的最高光电转换率达到了24.7%, 但在量产后的实际应用中却降到了15%左右。
这是因为到达地面的太阳光谱里, 波长覆盖200-2500纳米。传统硅基太阳能电池只能吸收波长小于1100纳米的太阳光, 剩下的就被反射了, 造成很大浪费。
目前, 学界有很多革命性的解决方案, 可以大幅提高转换率———取决于用什么材料吸收太阳光。综合成本和技术成熟度, 聚光光伏太阳能 (以下简称CPV) 正成为研究的热点。
CPV的核心是多接面太阳能电池 (multijunctionsolarcell) , 将高、中或低能隙的太阳电池由太阳光入射方向依序串联式堆叠成三接面太阳能电池, 以吸收短、中、长波长的太阳光。从英国IQE公司提供的电池模型, 我们可以看到, 多接面电池的上部单元为InGaP (磷化铟镓) 、中间单元为InGaAs (铟镓砷) 、底部单元为Ge (锗) , 从而将效率提高到40%。
这种高效的多接面太阳能电池, 需要透镜或镜面将接收到的太阳能放大成百上千倍, 然后将放大的能量聚焦于其上。
以美国公司Sol Focus为例, 其CPV发电模型的基本单位是一个由两面镜子组成的系统。系统内, 阳光通过感光杆被引至面积仅为1平方厘米的光电池。一块太阳能面板由许多这样的单位组成, 而太阳能面板置于跟踪装置上, 可以随着太阳位置的变化东升西落。
CPV值得称道的地方除了所使用的光电材料比传统光电技术要少, 更重要的是, 和传统聚热太阳能技术相比, 用于冷却的水量更是大大降低。
大多数生产能源的方式都会用到水。在集热式太阳能发电厂, 反射太阳光的镜子让液体加热, 产生蒸汽, 推动发电机的涡轮发电。和火力发电厂一样, 这样的蒸汽必须冷凝成水, 重复使用。
聚光光伏发电 篇6
CPV聚光光伏是目前应用最为广泛的聚光太阳能技术。高倍率聚光光伏尽管能量转换效率高, 但受制于核心元件砷化镓电池高成本与高技术壁垒, 目前仍难以实现规模化。相比之下, 使用常规单晶硅电池的低倍聚光光伏由于技术相对成熟, 虽然能量转换效率不及砷化镓电池, 但配合聚光技术和追光系统, 仍能够实现较高的发电效率。本文通过ARIMA时间序列模型对低倍聚光光伏技术的成本变化趋势进行预测, 判断其未来能否低于国家补贴入网电价, 以此分析低倍率聚光光伏技术的短期未来成长性。
1 现阶段低倍聚光光伏的发电成本
1.1 低倍聚光光伏系统成本结构
聚光光伏系统可分为四个模块, 为聚光模块、光电转换模块、追光模块和冷却模块, 对应成本包括, 光电电池、电池装配、反射镜、冷却系统、追踪系统、逆变器、整体安装[1] (表1) 。
常规单晶硅电池耐热性差, 高温环境下会迅速降低能量转换效率, 同时严重影响使用寿命[2]。因此使用常规单晶硅电池需将聚光倍数控制在10倍以内。
1.2 低倍聚光光伏成本计算
低倍聚光光伏成本参照张晴等[1]设计的5.3倍拟抛物线反射聚光设备进行计算。该设备使用常规单晶硅电池, 冷水管冷却, 并使用自主设计的拟抛物面反射镜聚光设备, 最大限度降低了整套系统的初期投入成本。经计算得出该系统发电成本为25.80元/Wp, 标准条件下 (即使用寿命10年, 每年有效日照250天, 每天有效发电8小时[3]) 入网电价初期投入成本约为1.29元/度, 加上后续维护等费用, 实际成本会略高。
1.3 低倍聚光光伏成本历史变动趋势
低倍聚光光伏成本历史变动趋势的计算将参照上述聚光设备的成本。其中单轴跟踪系统、汇流箱、安装费相对固定, 因此只考察拟抛物面镜、单晶硅组件、通水管道、逆变器、电缆线的价格, 作为可变成本, 占总成本约50%。拟抛物面镜主要组成部分为型钢和低铁玻璃, 选取北京H型钢价格和浮法玻璃价格为参照指标。单晶电池组选择250W规格组件价格为参照指标。通水管道选取PPR-C冷水管价格为参照指标。统计区间为2012年7月25日至2013年8月15日, 频率为周, 计算单位为元/Wp。得到可变成本的变动趋势如图1所示。在标准条件下, 当可变成本降为10元/Wp左右时, 可实现入网成本低于1元/度。
2 基于ARIMA时间序列模型的成本走势预测
使用A R I M A时间序列模型对低倍率聚光光伏成本未来走势进行预测。ARIMA的一般形式为ARIMA (p, d, q) , AR表示自回归, p为自回归阶数;MA表示移动平均, q表示移动平均阶数;d表示差分次数;ARIMA即表示自回归滑动平均混合模型[4]。
2.1 数据平稳性检测
可变成本的统计数据形成原始时间序列tx, 经一次差分后满足白噪声监测, 故d=1。
2.2 ARMA建模
AR模型的偏自相关函数和MA模型的自相关函数均有截尾性, 分别在p阶和q阶后为零;原始时间序列xt的自相关图和偏自相关图如图2所示。根据两图中截尾所对应的延迟数值, 得到p=1, q=1。则ARIMA模型结构为ARIMA (1, 1, 1) 。
通过计算残差自相关函数、残差偏自相关函数, 对模型ARIMA (1, 1, 1) 进行拟合。得到残差自相关函数图和残差偏自相关函数图如图3所示, 及原始时间序列xt的拟合序列如图4所示, 可见, 残差自相关函数图和残差偏自相关函数图都没有显著的趋势特征, 且数据拟合度较高 (虚线为拟合数据) 。因此证明模型A R I M A (1, 1, 1) 具备适应性。
2.3 ARIMA预测
使用模型ARIMA (1, 1, 1) 对未来数据进行预测, 区间为未来12个月。得到低倍聚光光伏可变成本未来变动趋势如图5所示。可见, 成本向下波动趋势明显, 能够在1-2年内实现低于10元/Wp。因此判断, 使用常规单晶硅电池的低倍聚光光伏具有良好的成长性。
3 总结
尽管受ARIMA模型自身准确性局限, 无法预测出精确的时间点, 但可以确定基于常规单晶硅电池的低倍聚光光伏发电具备较大的成本下降空间, 且在短期未来能实现, 具备良好成长性。因此, 在现有的技术条件下, 低倍聚光光伏比砷化镓高倍聚光光伏更有竞争力。但同时, 由于发电设备置于户外, 聚光、追光、冷却等系统的故障率是不容忽视的, 应在进一步的研究中作为关键变量充分考虑。
参考文献
[1]张晴, 张耀明, 华永明.一种低倍聚光光伏系统的实验研究[J].太阳能, 2012, 11:30-33
[2]王一平, 韩新月, 朱丽.聚光光伏系统的最新技术进展[J].电源技术, 2013, 2:329-332
[3]杜斌, 张耀明, 孙立国.低倍聚光光伏系统的实验研究[J].太阳能学报, 2008, 29 (11) :1328-1332
聚光光伏发电 篇7
以常规能源为基础的能源结构已不适应于社会的发展,开发和利用可再生能源己成为现代社会科技发展的趋势。其中,光伏产业发电是使用最广泛的清洁能源之一。它是以半导体光生伏打效应为基础的,可以直接将太阳光能转换为电能。太阳的光照强度对光电转换率是有影响的,所以我们可以通过在光伏能源施工建设过程中,改进核心聚光器,提高光照强度,来增加光电转换率,从而降低整个光伏能源在大型工程应用中的成本。
1 外部温度对光伏电池的影响
如图1所示,在实际的工程应用中,建筑室外温度上升将使光伏电池的开路电压下降,短路电流则略微增大,总体来看,会造成光伏电池的总输出功率下降,如图2所示。可以看出,光伏电池转换率是具有负的温度系数的,所以在实际应用时,既要提高光照强度,也要考虑到光伏电池表面的温度问题,以避免造成因温度过高反而使光伏电池转换率下降甚至损伤电池的后果。
为了使光伏电池输出更多的能量,又考虑到温度对光伏电池的影响,采用了聚光倍数在1-10之间的CPC(compound parabolic content rator)聚光器来提高光照强度,这种聚光器是组合抛物面式结构,它的主要部件就是菲涅耳透镜。实验证明,在晴朗无云的天气条件下,在11:00-14:00时间段,菲涅耳透镜焦点带处的温度可达200℃以上,升高了四至五倍。CPC聚光器反射面用镀铝薄膜,造价低廉,对于加工工艺要求较低。
2 大型工程中光伏能源的应用情况
自古以来人类就在使用光伏,上个世纪关于光伏应用的研究先后出现了几次热潮。第一次是20世纪初期。1901年,一台由美国波士顿财团资助建造的直径为10米的圆锥形反射镜矗立在一个农场上,把光伏聚集到锅上产生10个大气压、温度为18°C的水蒸气,驱动蒸汽机,带动水轮运转,可从5米深的水井每分钟抽取6.4吨水。热潮因为第一次世界大战的爆发而告终。第二次是二次世界大战后十几年,取得重要成就有:光伏热水器的使用,光谱选择性吸收涂层的研制,桂电池的研究突破并应用于人造卫星,建造了一批实验性太阳房,并且建立了国际光伏协会,定期有组织地开展国际学术交流活动。热潮的结束是因为中东大量廉价石油的出现,光伏利用的经济性地位受到冷落,各国研究兴趣下降。第三次热潮是在1973年石油危机后,光伏重新受到国家政府的重视,研究方经费得到大幅提高。例如,1973年,美国制定了政府级阳光光电计划;1974年,日本颁布“阳光计划”,研究内容包括:工业光伏系统、太阳房、太阳热发电、分散型和大型光伏发电系统等。中国的“全国第一次光伏利用工作经验交流大会”于1975年在河南安阳召开,推动了中国光伏事业的发展。当时,光伏热水器和光伏电池已初具商业化。然而随着80年代,世界原油价格大幅度回落,光伏研究减速,进展缓慢。近代,由于环境污染和生态破环成为全球性问题,并且愈发严重,其对人类社会的发展构成严重威胁。《里约热内卢环境与发展宣言》、《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件于1992年由联合国在巴西召开的“世界环境与发展大会”上得到通过。各国加强了洁净绿色能源技术的开发,将应用光伏与保护生态环境放在一起考虑。1996年,联合国在津巴布韦召开“世界光伏高峰会议”,会上讨论了《世界光伏10年行动计划》以及《国际光伏公约》、《世界光伏战略规划》等重要文件,并于会后发表《哈拉雷光伏与持续发展宣言》。目前光伏已经在全球范围内取得了长期稳定的发展。
根据光伏转化形式,光伏应用技术主要划分为以下四类:
1光伏光热应用。基本原理为将吸收获得的光伏转换为热能直接利用或者将获得的热能进一步转换为其他形式的能量。
2光伏光电应用。阳光发电是利用光生伏特效应,使用半导体发电器件将光能直接转换成电能。主要装置为光伏电池,现在已有的光伏电池种类包括:单晶桂电池、多晶桂电池、砷化镓单晶体化合物电池、薄膜电池、有机化合物电池以及染料敏化电池等等。现在光电转化效率在10%~25% 之间。
3光伏光化应用。这是一种利用光伏直接分解水得到氢的化学反应方式。
4光伏光生物应用。这指的是光合作用,通过植物等将光伏收集起来,转变为生物质能的过程。目前,世界上对光伏光热和光电应用的研究非常广泛,包括光伏与光热发电、农业应用、热利用、制冷、海水淡化等多个方面。下面对光伏光热应用和光电应用做一些详细的介绍。
目前,光伏光热应用是在可再生能源应用领域商业化程度最高、推广应用最普遍的一种利用方案。光伏的热应用根据收集光伏的温度范围可以分为:集热温度小于200°C的光伏低温应用、集热温度在200到800°C的中温应用以及集热温度大于800°C的高温应用。根据温度范围不同,光伏可应用的用途也有差别,温度越高,能量的品质越好。光伏低温应用主要用于光伏生活热水器、光伏农业干燥、海水淡化、光伏房以及光伏制冷系统等;中温应用主要有太阳灶、光伏热发电、工业预热等;高温应用则可以进行高温太阳炉、光伏热化学等应用。目前光伏光热应用领域已从人们日常生活应用扩展到工农业热水、采暖、空调、制冷、烘烤、干燥、海水淡化以及光伏中高温发电等等。光伏集热器是光伏热应用中最关键的装置。按照传热工质分类可以分为液体集热器和空气集热器。按照聚焦形式分类又可以分为非聚光集热器、菲涅尔反射镜型聚光集热器、抛物槽式聚光集热器、菲涅尔透镜聚光集热器、旋转抛物面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、多平面聚光集热器等;其中,非聚光集热器还可以分为平板型集热器和真空管集热器等。
主动式光伏采暖系统一般通过风机或者水力来驱动传热介质将光伏收集的热量输送到有采暖需求的地方,循环工质主要有空气和热水等。系统主要部件包括光伏集热器、储热装置、能量输送管道、风机或者水轮、室内散热终端等设备。由于光伏辖射的不稳定性,以及夜晚无太阳辐射,系统中一般会有辅助能源系统作为备用,以备缺失光伏以及光伏不足的情况下,采暖需求仍能得到满足。光伏热水主动采暖系统研究方面,Argiriou,A.等人介绍了在希腊海勒斯北部一个光伏热水主动采暖系统的研究,他们将光伏生活热水系统与采暖系统合并。通过TRNSYS软件分析系统运行情况,结果表明平均光伏保证率达到28%,系统成本收益率为0.18ECU/k Wh,此外还能减少40%的二氧化碳排放量。Badescua,V.通过模拟也研究了一套主动式光伏热水采暖系统,设计应用于德国Pir-masens Passive House中,结果发现热水系统与采暖系统级联方式的设计不适合于光伏采暖系统。Yang,Z. Y.介绍了一个采用光伏热力进行采暖的主动式光伏热水采暖系统,采用的集热器埋入建筑屋面,散热终端采用地方辐射采暖,结果表明房间温度能达到18.9°C,热力平均COP为2. 97。Wang,F.等人介绍了一个光伏集热墙的热水系统,该系统用于生活热水和采暖,通过理论模拟合适实验数据分析得出该系统可以满足房间热水采暖需求,投资回报期大概在16年左右。刘谨等人对光伏热水主动式供暖系统进行了经济性分析。江清阳等人将我国农村传统炕与光伏热水系统相结合,建立了光伏炕的理论模型,并进行了实验测试和验证,对光伏炕蓄热特性以及人体室内睡眠环境进行了分析。在光伏空气主动釆暖系统的研究中,Robert L. Reid介绍了其研究的一个主动式光伏空气采暖系统22年的运行情况,指出该系统每年的平均维护费用为系统总投资的1.6%。当下采用光伏空气主动采暖系统已经有一些成功的应用范例。Waqas,A等人研究光伏空气采暖系统与相关材料搭配使用应用于住宅采暖。美国能源部(DOE)和加拿大资源部(Natural Resources Canada)共同合作研制的光伏主动式空气集热墙在北美大型建筑上得到推广应用。
如上所述,建筑的能耗主要包括采暖、制冷空调、通风、动力、生活热水等。光伏建筑的主要任务就是通过光伏满足建筑的各项能耗需求。目前光伏建筑的研究重点主要聚焦于提高光伏系统的效率以及稳定性,探索光伏与建筑结合优化形式,提高光伏建筑热环境舒适性以及光伏建筑经济性评估等。围绕上述议题,各国研究学者开展了大量的研究,建造了一批光伏建筑示范工程。一些国家研究者着眼于光伏建筑的推广发展,Jesudas,F.W.等人分析了在印度能源危机的背景下,光伏建筑实行的可能。Basir,N. A.从降低建筑能耗和建筑稳定性角度分析了光伏应用于建筑上的可行性,结果指出采用光伏技术与建筑结合能优化当下建筑能耗的问题。Yin,Hang等人对于位于美国洛杉机、亚特兰大和芝加哥的住宅的光伏热水系统进行了有用能、经济性以及环境影响的分析,结果显示光伏热水系统投资回收期大概在4到13年。Wermager,S.等人通过Energy-10软件分析了在美国光伏十项全能比赛中建造的一栋光伏建筑,运行结果得到该建筑可以达到节能71%的效果。Yu,G.等人提出将光伏电池面板阵列作为建筑屋面,并在中国山东、山西和黑龙江等省份成功应用于当地建筑施工当中。翟晓强等人总结介绍了光伏釆暖与制冷技术在中国建筑上的运用,特别是光热技术的运用经验,对于公共建筑采用多种光伏技术集成的办法可以提高建筑光伏保证。Atikol,U.等人为了说服北塞浦路斯居住者采用光伏技术的建筑,建造了一个光伏示范建筑,采用光伏为建筑提供电力、热水、采暖以及被动冷却等。结果显示并网光伏系统、太阳采暖和热水都是比较经济的方案,适合推广应用。
3 改进CPC聚光器原理
CPC聚光器属非成像低聚焦的聚光器,采用边缘光线原理设计,可将能接收范围内的入射光按照其聚光比收集起来。这种聚光器的接收角大,接收角范围内的入射光只需一次反射就可以到达光伏电池板上,且它可接收直射太阳光和部分散射太阳光,并能接收太阳周围辐射。
CPC聚光器由两段对称于光伏电池中轴的旋转抛物面组成,底部放置封装了光伏电池的真空管,两段抛物线的底端分别是对面一段抛物线的焦点,其中一条抛物线的焦点与该顶点的连线必须与另一条抛物线的轴平行。如图3 CPC反光板的截面图所示。
其中,θa:最大半接收角;r:真空管半径;g:CPC反光板底的中点与真空管之间的间隙;t:底的中点到真空管的切线长 ,该切线与 水平面的 夹角为φ0,且sinφ0= t (r + g) ;φ :反光板的某点到真空管的切线与Y轴的夹角。图中的主要几何关系为:
CPC的开口长跟接收器面积的比值为聚焦比C。对于有间隙g的CPC聚光器,其最大聚焦比可表示为:
通过上式可分析出,CPC的开口面积越大,其聚光比C也就越大,由图3可以看出,开口面积大,高度也会跟着增加,制造材料也会相应地增加,从性价比这个角度来看是需要考虑的方面。又由于抛物线末端曲率小,反射作用可忽略,所以对完整的CPC反光板进行优化,既节省材料,又对光学效率影响不大。
4 成本节约的分析与统计
为了测试改进后,在成本节约方面的功效,需要进行一次实验,测试条件:晴朗无云,室外光照条件下,上午10:00—11:30,单块光伏电池在有聚光和无聚光条件下的电压和电流(每10分钟测1次),测得试验数据如表1。
以某一大型建筑照明项目为例,说明上述方法的运用。该项目由多项照明区域组成,图4展示了该项目的照明区域规划图。该大型光伏照明项目计划完工期为个月,项目总成本预算为500万元,在使用改进的光伏发电技术后,对发电的成本每个月月末监测一次,已知发电过程进展到第3个月月末时,监测到的项目参数信息见表2所示。此时,发电区域1、2、3已经改进,光伏发电区域4、5、6正在进行改进中,尚未完成,其完成百分比分别为25%、20%、10%,发电区域7、8、9尚未开始。针对表2,运用挣值分析法计算光伏发电改进后在第3个月月末时,发电成本与进度绩效指标,光伏发电完工成本的最乐观值、最可能值和最悲观值。改进的光伏发电过程1、2、3已经完工,活动完工成本按其实际成本计算。光伏发电过程4、5、6正在进行中,光伏发电过程7、8、9尚未开工,光伏发电过程完工成本按其计划值计算,具体结果见表2。
(单位:元)
结论
聚光光伏发电 篇8
上世纪70年代, 美国和以色列研发的新能源发电方式——塔式太阳能热发电技术, 打开了人类利用太阳能发电的新局面。此技术的原理是用定日镜将阳光反射到位于高塔上的吸热器, 这为实现大容量发电提供了可能。塔式电站的单位投资成本和发电成本是随容量的增加而降低的, 因此, 科学家认为大规模塔式太阳能热发电技术是今后太阳能热发电走向实用化的必由之路。
但是, 塔式太阳能热发电系统历经了30年的发展, 却仍然很少被应用。这是因为反射光瞄准聚焦目标太困难。何开浩介绍, 现有技术中都是使用空间几何方法计算反射镜的角度, 由于太阳的东升西落, 在地球上的不同位置太阳的角度也不一样, 使用现有的空间几何方法计算反射镜角度的变化, 其数学模型特别复杂, 技术要求也高, 特别是一个地区计算后数据并不能应用在其他地方的塔式太阳能热发电系统上。正是由于这个关键技术一直没有得到很好的解决, 塔式太阳能发电技术大规模产业化存在很大困难。
针对上述技术难题, 何开浩经过多年的钻研, 发明了一种塔式太阳能热发电系统的聚光瞄准装置 (专利号200910155646.6) 。该装置克服了以往采用空间几何方法计算反射镜聚焦角度中数学模型特别复杂、技术要求高、难以大规模产业化的技术难题, 在我国太阳能热发电技术研发上迈出了开创性的一步。