论文总字数：18074字

摘 要

太阳能储量巨大，分布广泛，清洁安全。但太阳能光热利用和光伏发电存在成本较高和能量转化效率较低的问题。因此本文提出太阳能光电一光热综合利用方式。通过聚光降低成本，通过综合利用不同频率的的光提高系统效率。在这基础上，寻找合适的滤波器吸附三角形集热管上，通过滤波器的光折射进入集热管，其余部分的光反射进入不同型号的光伏电池中。文章对这种太阳能光电一光热综合利用系统进行了设计和探索。

首先，进行底面菲涅尔反光镜的设计，计算太阳角，对不同时段太阳位置分析，然后针对相邻反光镜遮挡问题进行了研究。

其次，对三角形接收器进行设计，接收器的每个参数都进行光学建模，把求出来的数据成线状图，找出最优值。

最后就是对光伏电池板得设计，确定一个变量参数，假定其他参数是一个定量，进行光学建模成图找到相对正确的值。

关键词：菲涅尔透镜 三角形集热管 光伏电池

The optical splitting system of solar collector based on triangle collector tub

Abstract

solar energy is enormously reserved，widespread，safe and clean．But solar energy PV power cost is high and its conversion efficiency is low．So this article brings up Solar energy optic-electro and optic-thermal composite utilization．Through spotlights cost reducing and frequency division utilization it improves system efficiency.Based on frequency division technology, two pieces of filter is absorbed to solar condencer based on triangle collector tub. Plenty of sun ray reflects back in triangle collector tub, others is reflects to PV cells. This article discuss two ways of solar energy,designs and explores optic—electro and optic—thermal composite utilization system.

First, carries on the underside of Fresnel reflector design, calculate the Angle, analyzing the sun's position in the different periods, and then in view of the adjacent mirror cover problem is studied.

Second, the triangle receiver design, each parameter was used to model the optical receiver, to seek out data into linear figure, find out the optimal value.

Finally is the PV panel design, define a variable parameter, assume that the other parameters is a quantitative, modeling optical mapping found relatively correct values.

Keywords：Fresnel reflector；Triangle collector tubes；PV cell

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题背景和研究意义 1

1.3 本论文主要任务 4

第二章 设计方案 5

2.1 国外的相关设计 5

2.2 菲涅尔透镜 7

2.3 设计改良 8

第三章 光学模拟 9

3.1 SolTrace简介 9

3.2 太阳位置计算公式 10

3.3 反光镜位置确定计算 12

3.4 相邻反光镜遮挡问题的研究 14

第四章 结构优化 17

4.1 反光镜位置对聚光效果的影响 17

4.2 反光镜长和宽对聚光效果的影响 18

4.2.1 反光镜的长度对聚光效果的影响 19

4.2.2反光镜宽度对聚光效果的影响 20

4.3 接收器的设计 21

4.3.1 三角形接收器高度的设计 22

4.3.2 三角形接收器角度的设计 24

4.4.3 接收器位置对聚光比的影响 26

4.4 反光镜表面弧度设计 28

4.5光伏电池板的设计 30

4.5.1 光伏电池板的简单介绍 30

4.5.2 光伏电池板高度的设计 31

4.5.3 光伏电池板到对称轴距离的设计 32

4.5.4 光伏电池板长度和宽度的设计 32

4.6 本章得到的参数 33

第五章 总结与展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 引言

随着节能减碳问题的日益紧迫，可再生能源的开发利用受到了越来越多的关注。而太阳能作为一种储量巨大，分布广泛，清洁安全的新能源，已经在世界范围引起了广泛的重视。太阳辐射到达地球表面的能量高达4×10¹⁵MW，约为全球能耗的2000倍。目前太阳能的主要利用方式有：太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能制氢[1]、太阳烟囱、太阳能制冷、太阳能热水器等。其中太阳能光伏利用技术已经日益成熟，从光伏电站到太阳能路灯，太阳能光伏技术已经被广泛应用。但在太阳能光伏利用方面仍存在两个亟待解决的问题：光伏发电成本较高以及光电转化效率相对较低。工业生产的晶体硅太阳电池转化效率大约在16％～17％，转化效率较高的产品也仅能达到约22％。而在成本方面，德国、日本、美国等太阳能产业发达的国家都制定不同的政府补贴政策以支持光伏产业的发展。我国按太阳能发电成本以及火电上网价格计算，太阳能发电每度仍需补贴1元。

当太阳光照射到太阳能光伏电池上时，只有能量大于其半导体材料的禁带宽度的部分光子能量能够转化为电能。此外的能量不仅不能转化为电能输出，还会变为废热造成光电转换效率下降。由于这一特性和太阳能光伏利用的现存问题，本文提出了太阳能光电一光热综合利用的思路，并且有别于传统的太阳能电热联供系统，此思路基于对太阳光的分波段利用，将光电单元和光热单元分离。本系统在很大程度上缓解聚光光伏系统[2]中的热管理问题的同时，通过优化光电单元及光热单元的波段分配方案，能够进一步提高系统效率。

1.2 课题背景和研究意义

太阳能是重要的可再生能源,其高效利用己成为重要的研究课题。传统上,太阳能利用方式主要有光伏转换和光热转换。这两种方式均受制于较低的太阳能能流密度。采用聚光方式提高太阳能的辐射能流密度,光热利用时可提高集热温度,提高效率；光伏转换时则可减少光伏电池用量,降低成本。而且聚光电池具有比平板光伏电池更高的光电转换效率。因此,太阳能的聚光利用具有良好的前景。然而某些类型的聚光系统如碟式系统[3]、槽式系统[4]的焦斑能流分布不均,影响光伏电池转换效率。因此研制具有均匀焦斑的低成本、高性能的新型聚光器在聚光光伏应用中具有重要意义。

聚光光伏发电的聚光倍数为数十至数百,且由于光伏电池仅能转换特定光谱区间的太阳辐射能,其余谱段的辐射能在电池内耗散为废热,造成电池严重的热负荷。对于光伏电池废热的利用,主要有光伏-热水系统等传统型电热联用系统,利用冷却介质对光伏电池进行冷却,而冷却流体则被加热成热流体以资利用。这种系统提高了太阳能的综合利用效率,但由于冷却介质温度受限于光伏电池工作温度,热利用效率很低。光谱分频技术[5]可实现对不同光谱的太阳辐射能的分配,因此在聚光光伏利用中可将能高效光伏转换谱段的太阳辐射输送至光伏电池,将其余谱段的太阳辐射能集热回收。光谱分频技术不仅从源头上降低了光伏电池的热负荷,还实现光伏转换过程与光热转换过程的相互独立,使得热利用系统可获取比传统电热联用系统更高的集热温度。

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