基于透射式线性菲涅尔的聚光光伏系统聚光特性研究

为解决目前光伏发电技术因太阳能电池板生产成本高、发电功率低等因素而导致普及率低的问题,提出了1种基于透射式线性菲涅尔的聚光光伏系统。该系统采用聚光器单轴跟踪和太阳能电池板固定安装的方式,使用成本低、质量轻、聚光效果好的线性菲涅尔透镜作为该聚光系统的聚光器。利用基于蒙特卡罗光线追迹法的TracePro光学软件,分析了不同太阳赤纬角、太阳时角和几何聚光比条件下该系统的光学性能。结果表明:聚光光伏系统的光学效率相对于非聚光条件降低了15.11%,太阳能电池板的使用量相对减少了81.25%。通过在传统光伏发电系统基础上增加聚光系统的办法,可以增大光伏系统的采光面积,提高太阳辐射能量密度,从而降低昂贵太阳能电池材料的使用量,提高聚光光伏系统的经济性和可行性。但也损失了一部分光能量,降低了光伏系统的光学效率。

槽式太阳能系统聚光镜面参数对聚光特性的影响研究

对槽式太阳能系统聚光镜面参数对聚光特性的影响进行了理论、模拟及实验研究。结果显示,平行光下聚光镜面厚度、焦距、折射率导致汇聚光线在焦线位置发生横向离焦偏移△X与纵向离焦偏移△Y,采用OriginPro拟合出具有高相关指数的实用经验公式,并通过TracePro仿真及以焦距1060mm、反射镜折射率1.5、开口宽度1 600mm的典型槽式系统为平台进行实验验证。此研究可为太阳能槽式聚光系统进一步的设计优化提供参考。

槽式太阳集热器聚光特性的模拟研究

为得到吸收管表面的热流分布,基于光线追踪法原理,采用微元分析的方法建立吸收器在理想太阳光线和不同入射角下的聚光特性基础模型,模拟并分析得出入射角对吸收管的聚光效率和周向热流分布均匀度影响较大。进一步基于锥体光学法的原理,建立考虑太阳形状的吸收管周向热流分布的数学模型,利用VB编程求解2种情况下的热流分布,与Sol Trace软件的模拟结果对比,偏差较小,证明模型的可靠性。模拟结果发现太阳形状的存在对吸收管的热力分布均匀度是有利的。之后在该模型基础上,进一步分析集热管定位误差对吸收管表面热流分布的影响。

抛物碟式太阳能聚光器的聚光特性分析与设计

点聚焦碟式太阳能聚光反射器,应用光线追迹法模拟分析了存在太阳张角时,相同开口采光面积、不同形状的聚光器分别在相同焦距、相同边缘角情况下的聚光特性。考虑到太阳形状、开口采光面形状、抛物面焦距、抛物面边缘角及接收器的遮挡作用等几何因素,并结合旋转抛物面聚光器的光学特性,建立了模拟仿真的几何模型。采用光线追迹法直观地模拟了聚光接收面上的平均能流分布特性。为对聚光器的聚光特性进行定量评价,采用了面积效率因子的概念。模拟结果表明,采光面积相同时,等焦距的4种不同开口形状的聚光器具有相近的聚光能流比;等边缘角时,除圆形聚光器外的3种聚光器有较大光能损失。设计了多碟共焦聚光器,用低聚光比聚光器组合达到高倍聚光效果,并分析了聚光特性,为碟式太阳能聚光反射系统的设计和优化提供了参考。

新型线聚焦菲涅耳透镜设计及其聚光特性研究

聚光光伏系统中电池表面热流密度分布不均匀导致系统光电转换效率降低,同时出现局部过热问题,严重影响了光伏电池系统的效率。为了解决这一问题,本文设计了一种可以使太阳投射辐射能量均匀化分布于接收面的新型线聚焦菲涅耳透镜,并运用蒙特卡罗光线追迹法对常见的菲涅耳透镜及本文设计新型线聚焦菲涅耳透镜的聚光特性进行了对比研究。模拟结果表明,新型透镜极大地改善了电池表面热流分布的均匀性。针对新型透镜聚光特性,考察了不同设计接受面宽度、太阳光不平行灾角、入射光束波长、入射光倾角及电池位置等因素对电池表面热流密度分布的影响。

三维CPC太阳能聚集特性的数值模拟

根据几何光学原理,通过联合求解高次曲面方程,采用射线踪迹蒙特卡洛法(Monte-Carlo ray-tracing Method,MCRT)模拟了直射太阳光束在三维CPC内的传播过程。通过数值模拟,分析了三维CPC的太阳能聚集能流密度分布、方向分布和透过特性以及这些聚集特性参量随CPC高度截取比例、CPC最大接收角、跟踪误差等因素的变化。结果表明,三维CPC的出射面太阳能热流分布出现峰值;截顶后三维CPC的最大接收角不变,透过率性能有所改善。

平板型太阳能聚光器的无漏光设计

针对平板型太阳能聚光器中出现的漏光问题,提出了无漏光聚光器的设计方法.该方法结合简单的数学计算与折射定律、反射定律推导出光线在光波导板中无漏光传播的最大距离理论公式,建立了无漏光聚光比与空气隙结构张角角度、主聚光器高度和宽度之间的数学模型,利用控制变量法分析了无漏光聚光比与各参数之间的关系.运用光线追迹软件对所设计的平板型无漏光太阳能聚光器进行光线追迹模拟,结果表明:在模拟光源选择存在0.27°的发散半角的太阳光源条件下,考虑光线在透射面处的菲涅耳损失和光学材料的吸收,在无漏光范围内实际最大聚光比达到698×、857×和1 032×时的聚光效率分别为88.2%、85.3%和80.2%;超过无漏光范围后随着聚光比进一步增大聚光效率下降较平缓.

新型槽式太阳能集热器光学及热力学性能分析

针对传统槽式太阳能集热器聚光不均匀导致较大热应力的情况,提出了一种新型加装聚光器的槽式集热器,并利用蒙特卡罗光线追迹法以及有限元法分析了新型集热器的聚光特性、热应变以及热应力等特性,得到了集热管周围的热流密度分布,再以此为基础分析了集热管周围圆周方向的温度场分布,从而对集热管的热应力进行了计算。结果表明:相较于传统槽式集热器的集热管,新型太阳能槽式集热器的集热管在管周方向的热流密度分布更趋均匀,从而应力、应变分布也有明显改善,可有效提高集热器的使用寿命。

基于场论的槽式太阳能集热管热流密度模拟

文章运用场论的方法并结合COMSOL软件模拟了槽式太阳能集热管的聚光特性,结合受照面理论,简化了光线从光源传播到聚光器的过程,极大地节省了计算资源。同时将模拟结果与Jeter的模拟结果以及蒙特卡洛光线追踪法的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明,使用场论方法的模拟结果优于蒙特卡洛光线追踪法的模拟结果,使用场论方法的模拟结果与Jeter的模拟结果更为接近。文章还对LS-3型槽式太阳能集热管在不同边界角θrim下的聚光特性进行了模拟与分析。模拟与分析的结果表明,边界角θ_(rim)越大,LS-3型集热管外热流密度分布越均匀,该集热管外热流密度峰值越小。

动态聚光建筑表皮设计与光热特性研究

在可持续设计思想主导的当下,建筑表皮逐步朝着生态、环境响应和动态可调的方向发展,尤其是能够产出能量的生态建筑表皮已经成为新的研究热点。太阳能资源丰富易得,聚光是新型高效的太阳能利用形式,将其应用到表皮构件中,会带来艺术表现、结构形式和能量特性的改变。针对目前国内外建筑与聚光光伏一体化集成(BICPV)研究和应用中存在的问题,本文提出聚光技术在建筑中集成应用的关键是要解决模块化设计、动态集成与光热特性等问题。本文以菲涅尔透镜为聚光器,设计出新型适用于建筑集成的高倍透射式聚光模块,并按照设计参数制作出实体模型对其进行电性能实验研究。以万向轴承为控制节点,设计完成新型双轴联动系统,实现了聚光组件与建筑的动态集成。利用光学分析软件TracePro对高倍透射式聚光模块在不同入射条件下的光学效率及建筑集成聚光组件的室内天然采光的影响率进行了量化研究。利用计算流体力学软件ANSYS-CFX对不同工况下聚光组件的热特性进行仿真模拟。对聚光模块的电性能实验研究结果表明其对直射光线综合聚光效率在65%左右,且在连续工作状态下具有稳定的电能输出。对聚光模块光学特性模拟的研究结果表明其对入射偏差在以内的直射光线具有良好的汇聚作用,光线接收效率保持在76.87%以上。以天津地区为例,晴天且聚光阵列处于工作状态对室内天然采光的影响率在9.13%~11.66%之间,非工作状态下影响率降至6.58%~8.36%之间,全阴天状况下影响率为 5.97%。模拟结果表明,主动式通风可以有效降低工作状态下聚光组件的温度,从聚光模块底部入风的散热效果优于从侧面或顶部入风。聚光阵列集成在双层玻璃之间采用机械通风时,靠近入风口的模块散热效果最好;风速相同时,底部通风散热效果优于顶部。聚光阵列处于自然通风状态下,外部开敞式散热效果优于完全开敞式。风速较小时,增大风速会使聚光组件温度明显下降,超过3 m/s后,增大风速对聚光阵列散热效果提升不明显。本文的研究成果可为BICPV的相关研究和应用提供设计指导与数据基础。

积尘对槽式太阳能聚光器焦面能流密度分布的影响及聚光优化

为研究灰尘对槽式太阳能聚光器光学效率和金属管能流分布的影响,从理论上分析了积尘对聚光器光学效率的影响,对槽式太阳能聚光镜积尘工况进行了模拟,应用蒙特卡罗光线追迹法和有限元体积对抛物槽式集热系统传热进行了分析,得到了金属管周向温差(CTD)和能流密度分布。结果表明,积尘对反射光线方向和金属管壁面能流影响较大,由积尘改变壁面能流密度的分布对CTD有一定影响。针对CTD对抛物槽式集热系统的影响,提出了在常规抛物槽式集热器基础上添加一个二次均光反射镜的方法,二次反射镜的添加使金属管周向能流分布趋于均匀,并使金属管的CTD显著降低,减小了积尘工况对聚光集热系统的影响,这一方法为抛物槽式太阳能聚光系统的优化提供了参考。

太阳能集热器挠曲柱面聚光镜组的设计方法

挠曲柱面镜是一种槽式太阳能线聚焦反射镜,采用空心模具成型,具有成型简单、表面粗糙度低和光谱特性好的优点。文中首先介绍了挠曲柱面镜的成型原理、成型工艺及其聚光特性,然后根据挠曲柱面镜的聚光特点提出了挠曲柱面聚光镜组的设计方法并给出了一种高倍聚光镜组的设计实例,最后通过河北邢台镜组的建造实例对上述设计方案进行了验证。建造成本分析表明挠曲柱面镜的规模化成本约为156元/m2,与抛物面镜的价格相比非常具有竞争力,并存在着进一步下降的空间。