光伏聚光技术的聚光均匀度结题报告人大附中研学 能源 刘威无照片Word格式.docx
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光伏技术,即对太阳能的利用有如下优点:
能源储备几乎无限,成本低廉,适用性好,安全且对自然环境影响极小。
相对而言已有核裂变技术存在安全及核废料处理问题,在研可控核聚变技术尚不成熟且研发成本极高;
风能发电技术对自然气候与地理位置有较高要求;
水力发电技术十分成熟但对所在地自然环境与生态环境有极大影响;
地热能局限性太高。
综上光伏发电技术的优越性十分突出。
另一方面,据欧洲光伏工业协会EPIA预测,太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位,不但要替代部分常规能源,而且将成为世界能源供应的主体。
根据欧盟委员会联合研究中心(JRC)的预测,到2030年可再生能源在总能源结构中占到30%以上,太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上;
2040年可再生能源占总能耗50%以上,太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;
到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上,太阳能发电占到60%以上。
由此可见光伏技术市场前景很广。
然而光伏技术的发展也有很多的问题需要解决。
最主要的问题在于转换效率过低,太阳能电池板的主要成分多晶硅及单晶硅的实验室转换效率仅分别为17%和23%,而如果实际应用中这个效率将更低,多晶硅和单晶硅的转换效率最高分别为为14%16%和16%20%。
其次光伏发电所需占地面积较大。
诚然在我国的新疆,等地区以及世界各地的沙漠地区太阳能有很大的发展潜力,但是不可否认这些地区往往缺少规模较大的城市群及工业群,没有办法当地消化这些巨量的电力,而需要电力的地方又没有足够的空间去发展大规模的太阳能板集群。
这就造成了高额的电力运输成本和电力消耗成本。
与之相反的是北京正在推进的金房顶工程及每个房顶都有自己的太阳能板供电。
然而虽然这样可以少去相当大的运输成本及消耗,但是房顶的面积毕竟有限,再加上太阳能板的过低转换效率,使其所产生的实际可用电力非常有限。
然而如果能提高光电转换效率那就可以解决很多问题。
为此一种方法是更新太阳能电板的材料,但我们没有这样的能力。
于是我们将研究方向定为另一种方法:
光伏聚光技术。
光伏聚光技术既是用聚光器将大面积收集到的阳光聚集到小面积的太阳能电板上从而使太阳能电板接受到的能量密度提高,进而使发电效率得到提高。
有数据显示同种太阳电池芯片在聚焦太阳光500倍左右时它的光电转换效能介于36-40%之间,光电模组的效能在22-28%之间,整个系统的效能在18-20%之间,以年度发电量而言,在相同的条件下,系统(结合双轴追日技术)约是传统硅晶型的1.2-1.4倍左右。
这就相比起原本的纯太阳能电池板有了很大的提升。
光伏聚光技术最终是否能实现到大规模的并网发电,在保证可靠性的前提下尽量降低成本是非常重要的,主要的技术问题包括:
高效低成本的聚光技术;
由聚光的不均匀所带来的热性能和电性能的变化;
电池组件的散热问题;
高效的聚光光伏电池;
可靠低成本的跟踪系统;
可靠的封装技术等。
我们将就其中聚光均匀度的问题展开研究。
聚光系统的聚光均匀度对于聚光系统效率及可靠性有一定影响。
不解决这个问题,聚光时将导致同一电板上温度不均匀,进而不同部分阻值产生产生较大差异(因为硅是半导体),轻则影响发电效率,重则毁坏系统。
基于上面的研究结果,我们组决定利用相关软件模拟出光伏聚光器的聚光均匀度数据,从而对影响其的条件进行研究。
流程图:
研究方法及过程
研究方法:
理论计算,Zemax软件模拟分析
研究对象:
我们组之所以选择光伏聚光技术的聚光均匀度研究是因为如前面摘要所说这个技术(光伏聚光技术)有很大的应用前景,即有一定的研究必要。
然而这个大技术的应用有很多的小项目,包括新材料的研发、安装角度的选择、受力的分析、风阻的影响等。
而对于我们三人小组来说,要在短短一年的时间内完成这么多项目的研究、设计和分析等项目,显然是不可能的。
所以我们决定从一个相对比较简单但是又有代表性,而且在现实中比较重要的项目来入手——聚光均匀度的分析,来完成我们的研究课题。
影响光伏聚光器聚光均匀度的条件
研究条件的设置:
先从我们查找的纸质文献和网上查到的素材入手,进而我们发现在我们蝶形光伏聚光器中,包括:
几何聚光比,相对口径,焦斑宽度等数据对聚光均匀度(能流密度)都具有很大的影响,而影响最大的还是“蝶形聚光器的弧面最高点到焦斑中心的连线与弧面最低点到焦斑中心的连线的夹角”这个数据,从而我们通过多次改变设定的数值,设置了这个研究条件。
理想条件——暗室,平行单色光源,波长0.486微米(红光),聚光镜为球面
实际操作:
运用zemax软件模拟分析。
分三组对比试验研究
对比试验:
1:
尺寸大小对聚光器成像能量密集度的影响,对曲率相同,尺寸不同的4个聚光器进行4次模拟试验。
对比试验2:
焦斑大小对同一聚光器成像能量密集度的影响
通过调整像镜距离改变焦斑大小
聚光器参数:
半径——50mm
半口径——20mm
对比试验3:
形状对聚光器成像能量密集度的影响
保持半口径与焦斑半径不变,调整聚光镜球面半径与半口径之比
半口径:
20毫米
焦斑半径:
3000微米
后续试验:
汇聚光线张角度数与能流密度的优化
二、研究结果分析与讨论
(1)研究结果
注:
此实验中能量密集度分数为以一离心距为半径的一个圆形面积内能量所占全部能量的分数,
厚度为镜像距离
对比试验1
编号
半径(毫米)
厚度(毫米)
半口径(毫米)
最高功率(瓦特)
1
-50
-20
15
0.1724
2
-75
-30
22.5
0.1650
3
-100
-40
30
0.1624
4
-125
37.5
0.1612
图1
对比试验2
焦斑半径
(微米)
镜像距离
(毫米)
能量密集度分数方差
8400
0.0432
0.064390417
6300
17
0.0675
0.091596557
4100
19
0.1197
0.074572175
3000
20
0.1731
0.054110252
5
2050
21
0.2712
0.039828466
6
2000
21.1
0.2852
0.048307458
13800
10
0.0192
0.097727806
01
11600
12
0.0255
0.100298115
02
10600
13
0.0300
0.095715169
表二
对比试验3
最大功率(瓦特)
焦斑半径(微米)
球面半径与半口径之比
-20.00
2.5
0.054144711
-31.00
0.2200
3.75
0.076910657
-42.00
0.2538
0.086222925
-52.78
0.2665
6.25
0.08884678
-150
-63.50
0.2732
7.5
0.089501527
-15.45
0.1405
0.055572508
表3
补充实验:
C系列模型
几何聚光比
30度
46.39303
40度
52.33635
43度
52.35099
44度
52.44048
44.6度
52.4626
44.7度
52.46407
44.8度
52.46484
44.866度
52.46499
44.9度
52.46495
45度
52.46441
46度
52.42296
50度
51.60495
60度
45.14304
图2
(二)结果分析与讨论
对比实验1结果分析与结论:
分析:
随聚光器尺寸增大,焦斑半径增加,但最高功率降低。
须注意的是能量密集度虽总体趋于集中,但在元器件半口径为22.5毫米时却突然分散。
结论:
为达到优化聚光均匀度的目的,聚光器尺寸应较大,但应通过其他手段提高功率,应注意在特定尺寸下能量密集度会骤降。
对比试验2结果分析与结论:
随镜像距离接近焦距,焦斑半径减小,最高功率有显著提升,然而能量密集度在镜像距离为10至17毫米时呈波动状态,之后直至径向距离接近焦距能量密集度趋于集中。
为达到优化聚光均匀度的目的,镜像距离应接近焦距,同时功率也会加大。
应注意如有特殊需要镜像距离较为接近时,需慎重对待其聚光均匀度随镜像距离的波动关系。
对比试验3结果分析与结论:
球面半径与半口径之比在2.5以上随聚光镜半口径与焦斑半径增加,最大功率增加,能量密集度趋于分散。
为达到优化聚光均匀度的目的,聚光镜半口径与焦斑半径之比增加应较大。
补充实验结论:
球形聚光镜在汇聚光线张角为44.8度是有最佳聚光比,即取得最大聚光比(能流密度)。
(三)小结
依照本组数据,球面半径与半口径之比为2.5,半口径为20毫米的球面聚光镜在镜像距为21.1毫米时有较为理想的聚光均匀度。
尽量满足以上条件,是光线汇聚角度为44.8度时可以获得最佳聚光比。
三、结论与展望
(一)主要结论
球面聚光镜要想有最佳聚光效果,实际设计聚光器时应注意平衡聚光均匀度与聚光比方面的性能。
元件尺寸在达标前提下应尽量小,球面半径与半口径之比应尽量小,且应使汇聚光线的张角接近44.8度,镜像距离应接近焦距。
期间原件尺寸,形状,镜像距离对聚光均匀度的影响并非线性变化,存在波动现象,选取规格中尤须需要注意。
(二)研究存在的不足及展望
实验条件与现实情况差距很大。
表述没有完全术语化,研究方法不及专业方法,软件应用不熟练,如专业研究利用的是Zemax的非序列模式,模拟结果拟真度及精确度非常高,而我们组用的却是序列模式,结果相较不全面且准确度低。
试验设计失误致使存在人工计算数据。
因无法厂家而无法进行实物验证,而计算机模拟与实际差距较大。
在增长光学相关知识,完全掌握Zemax软件,学会高度拟真的模拟方法,加上实物验证后我们可以做出有实际应用价值的研究。
四、收获与体会
首先我们不得不说在这不到一年的研学过程中对我们组的所用人都是很大的历练。
首先从选题,我
们就知道了什么叫眼高手低,我们有很多自认为不错的创意,然而当我们进行可行性分析时我们才发现,我们认为很简单的东西可能需要超过我们能力几十倍的知识储量。
确定选题之后,面对成山的文献资料和大量质量参差不齐的数据,怎样从中找到我们需要的同时还是有用的也是一个难题。
之后在正式开始研究之后我们对Zemax的学习使用也是一个不小的困难。
至于体会我认为其是我么不管学习还是人生的意义都是发现问题同时努力克服困难,找到问题的解决方案,当然,我们的研学也不例外。
我们认为我们克服问题的过程比单单几个数据结果重要的多。
同时在我们的团队奋斗的过程中,难免会有摩擦,而我们之间的沟通和相互理解也同样非常的重要。
五、致谢
首先得感谢我们组的三位组员——刘威,柴英捷,马力克,在研学的将近一年的时间内,我们的三位组员每一个人都在为我们的课题而拼搏,奋斗,付出全力。
我们在一起感受胜利的喜悦也承受失败的打击,风雨兼程、同舟共济。
其次当然得感激我们的研学的指导老师——潘燕老师,她在我们的研究过程中给予我们多方面的指导与帮助,从选题时的建议和帮我们进行可行性分析,到设计过程中对我们的鼓励与支持,再到我们作出数据模型但找不到生产厂家时帮我们出谋划策、帮我们找厂家,无时无刻我们都能看到,感受到老师对我们的关心、支持和帮助。
同时还是要感谢学校,开设研学了这门课程,使我们有机会通过自己的努力解决问题,自主的思考和奋斗。
同时还有包括教师,场地还有经费等各方面的支持。
当然少不了的还有对我们家长的感激,正因为他们的支持,我们才可以去完成这方面的研究,也就有机会去锻炼我们自己。
六、参考文献
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七、附录
部分实验原始数据
对比试验1:
尺寸大小对聚光器成像能量密集度的影响
GeometricEncircledEnergy
Surface:
Image
Wavelength:
Polychromatic
Reference:
Centroid
Referencecoordinateunitsare毫米
Datahasbeenscaledbydiffractionlimit.
Distanceunitsare祄.
Field:
0.0000deg
ReferenceCoordinates:
-5.201E-0181.857E-019
RadialdistanceFraction
0.0000.000000
50.0000.001244
100.0000.001274
150.0000.001274
200.0000.006168
250.0000.006168
300.0000.011085
350.0000.011269
400.0000.015554
450.0000.025790
500.0000.026468
550.0000.030002
600.0000.045342
650.0000.046150
700.0000.055140
750.0000.060361
800.0000.073813
850.0000.086181
900.0000.086181
950.0000.106888
1000.0000.120996
1050.0000.124759
1100.0000.138716
1150.0000.148806
1200.0000.167516
1250.0000.179256
1300.0000.195963
1350.0000.217608
1400.0000.229720
1450.0000.240925
1500.0000.268624
1550.0000.289314
1600.0000.298190
1650.0000.317243
1700.0000.349767
1750.0000.362308
1800.0000.392813
1850.0000.422319
1900.0000.439556
1950.0000.462217
2000.0000.493278
2050.0000.528652
2100.0000.544294
2150.0000.581492
2200.0000.620108
2250.0000.661986
2300.0000.696067
2350.0000.721850
2400.0000.770575
2450.0000.816205
2500.0000.851586
2550.0000.906801
2600.0000.959821
2650.0000.988593
2700.0001.000000
1.486E-0188.172E-018
100.0000.001254
200.0000.001254
300.0000.006076
400.0000.011206
500.0000.011252
600.0000.015761
700.0000.
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