菲涅尔太阳能聚光器系统的研究.docx

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菲涅尔太阳能聚光器系统的研究

毕业设计说明书

菲涅尔太阳能聚光器系统的研究

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2012年6月

菲涅尔太阳能聚光器系统的研究

摘要

在能源紧缺、生态破坏的现代社会，开发新能源和可再生能源已成为各国重要的发展和研究方向。

太阳能是一种分布广泛、储量丰富、取之不尽用之不竭的重要的可再生能源。

太阳能发电技术日益成熟，在我国不少地区都装有太阳能发电装置。

但由于种种因素，如太阳能存在空间分布不均匀、能流密度低、具有间歇性等的缺点，使得太阳能电池成本很高，太阳能的利用效率和发电效率低，造成能源浪费，这就要求我们进一步研究如何更好的利用太阳能资源。

太阳能聚光光伏发电技术，是利用光学聚光组件提高入射到太阳能电池表面的光的能量密度。

这可以减少系统中昂贵太阳能电池的使用，并可大幅度提高系统整体的能量转换效率。

因此，聚光光伏发电技术是降低发电成本并提高发电效率的有效途径。

而太阳能聚光器是聚光光伏发电系统的重要组件之一，对其进行系统研究具有重要的应用价值。

菲涅尔太阳能聚光器正是处在这一领域展前沿的一种可进一步开发研究的新技术。

本论文首先研究了太阳能光伏发电的原理以及相关技术；然后通过从弧形基面这一最一般情况推导出了菲涅耳太阳能聚光器的一般设计公式，从而得到了菲涅耳太阳能聚光器（菲涅尔透镜）的设计方法，并从理论上分析了菲涅耳太阳能聚光器的系统性能，研究了菲涅尔透镜的结构特点，简单分析了菲涅尔聚光器的光学损失机理和影响太阳能聚光器光学效率的因素——聚焦焦斑，并简单介绍了解决方法；最后以平面楞形朝外的菲涅耳聚光器为例，用Zemax软件进行了光学仿真，并对其结果进行对比分析总结。

综上所述，菲涅尔太阳能聚光器可以有效的聚集太阳能，提高太阳能利用率，降低生产成本，有较大的发展前景。

关键词：

太阳能，光伏发电，菲涅尔透镜，聚光器

Fresnelsolarconcentratorsystem

Abstract

Thedevelopmentofnewenergyandrenewableenergyhasbecomeimportantnationaldevelopmentsandresearchesinmodernsocietywithenergyshortagesandecologicaldestruction.Solarenergyisakindofwidespread,abundant,inexhaustible,renewableenergy.Assolarpowergenerationtechnologybecomesmoresophisticated,inmanyareasofChinasolarpowerinstallationsareequipped.however,therearemanyfactors,suchassolarenergyhasdisadvantagesofunevenspatialdistribution,low-energyfluxdensityandintermittent,resultinginhighcostofmakingsolarbatteryandlowefficiencyofsolarenergyutilizationandpowergeneration,whichrequiresustofurtherstudyhowtomakebetteruseofsolarenergyresources.

Solarconcentratorphotovoltaictechnology,whichusestheopticalcondensercomponentstoincreaseenergydensityoflightuponthesurfaceofthesolarbattery,canreducetheuseofexpensivesolarbatteryandsignificantlyimprovetheenergyconversionefficiencyofthewholesystem.Thus,concentratorphotovoltaicpowergenerationtechnologyiseffectivetoreducethecostofpowergenerationandtoimprovepowergenerationefficiency.Thesystematicresearchofsolarconcentratorhasimportantpracticalvalueforit'soneoftheimportantcomponentsoftheconcentratorphotovoltaicpowergenerationsystem.Fresnelsolarparabolicdishconcentratorisanewkindoftechnologies,whichcanbefurtherstudied,attheforefrontofthesolarconcentratorphotovoltaictechnologyareas.

First,thisthesisstudiedthetheoryandtechnologyofsolarphotovoltaic.thegeneraldesignformulasofFresnelsolarconcentratorderivefromthecurvedsurfacewhichisthemostcommon.ThenthegeneraldesignformulasofFresnelsolarconcentratorderivedfromthecurvedsurfacewhichisthemostcommon,leadingustogettheFresnelsolarconcentrator（Fresnellens）designmethod.ThenwestudiedthestructuralcharacteristicsoftheFresnellens,analyzingtheFresnelcondenseropticallossmechanismandthefactorsthataffecttheopticalefficiencyofthesolarconcentrator-Focusonthefocalspot,andputforwardsomesimplesolutions.AfterselectedanddesignedthetypeandparametersofFresnelsolarconcentrator,weanalyzedtheFresnelsolarconcentratorsystemperformanceandoptimizeditbyusingZemaxsoftwaretobuildmodelsandmakeopticalsimulation.

Insummary,Fresnelsolarconcentratorhasgreatprospectsfordevelopment,becauseitcaneffectivelygathersolarenergy,improvethesolarenergyutilization.

Keywords：

solarenergy，photovoltaicgeneration，Fresnellens，condenser

2太阳能光伏发电技术5

2.6太阳能光伏发电发展前景13

4.6.1设计与计算公式39

4.6.2仿真结果与分析41

参考文献43

致谢45

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

自从人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。

随着社会的发展，人类各种社会生活越来越离不开能源，能源在社会发展中的重要性越来越突出。

近年来，随着人们的不断开采与利用，石油已濒临枯竭，能源资源短缺，这些严重制约了人类社会的发展，已成为人类社会不可回避的问题。

根据《BP世界能源统计2005》的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。

我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1％。

我国能源剩余可开采总储量的结构为：

原煤占58.8％，原油占3.4％，天然气占1.3％，水资源占36.5％[1]。

可见开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。

新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。

新能源和可再生能源资源储量丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。

如图1.1所示是世界能源发展趋势图，从图中可以看出，可再生能源的比重将逐渐上升，尤其是太阳能发电的应用将占到很大比重[2]。

太阳能在可再生能源中分布广泛，取用方便，储量丰富，可谓是取之不尽用之不竭。

据估算，太阳能传送到地球上的能源，每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天所消耗的能源。

在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为最具前景的未来能源，有无尽的潜力。

如果能够被充分的有效利用，将会缓解人类的能源危机，太阳能在未来能源结构中将占有重要的地位。

太阳能利用是可以将太阳能转化为其它形式的能源，它具有广阔的应用前景。

目前太阳能利用的方式有：

太阳能发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化学利用，太阳能生物利用和太阳能光——光利用。

太阳能发电一般是通过两种途径实现：

一是利用光生伏特效应将太阳能直接转化为电能的光——电转换。

其基本装置是太阳能电池，其中有平板光电池发电、高效的聚焦发电以及薄膜电池。

二是利用太阳辐射所产生的热能发电的光——热——电转换[3]。

一般是利用太阳集热器将所吸收的热能来驱动工质的蒸汽运动，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电[4,5]。

其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前世界上最具发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。

但是，太阳能同样也具有能流密度小，光照过程不连续的缺陷，使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，从而对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

因此必须改善现有技术、降低装置成本。

提高太阳能利用效率是太阳能利用中急需解决的关键问题。

太阳能的收集方法很多，有热收集、光电收集或光化收集等方法。

收集器的主要功能是将太阳辐射能转变为可用的能量形式。

太阳能聚光器是将太阳光通过透镜或者其它的方式聚集起来增加能流密度以提高太阳能电池发电效率的一种现有技术。

而它将配合太阳跟踪技术以及高效的聚光电池来为高倍聚焦发电提供可能，这样可以大大节约成本，提高太阳能利用率。

太阳能聚光器按其聚光方式可以分为透射式聚光器和反射式聚光器，而这两种聚光器又在各自的领域有着不同的应用，目前应用于高倍聚焦太阳能发电的聚光器一般为透射式聚光器，在透射式聚光器中又以菲涅尔聚光器应用最为广泛。

菲涅尔太阳能聚光器正是本课题的研究对象。

1.2国内外技术研究与发展

菲涅尔透镜是由法国物理学家AugustinJeanFresnel在1822年所发明的一种透镜。

菲涅尔太阳能聚光器由于其质量轻、结构紧凑、透光率高而广泛应用于太阳能发电系统。

其构造方法为：

使用多个同轴排列或平行排列的棱镜所形成的一序列不连续曲面替代凸透镜或凹透镜的曲面，减小透镜厚度，从而节约了材料和器件的安装空间。

它是太阳能发电系统的聚焦光发电和热发电的重要器件。

有机玻璃菲涅尔透镜比玻璃透镜可以设计的更大、更轻、更方便、成本更低，目前菲涅尔透镜作为一种太阳能聚光器的应用也越来越受重视[6]。

国内外许多研究机构和个人从不同角度对菲涅尔太阳能聚光器进行了研究。

从研究范围看，对菲涅尔透镜的研究涵盖了材料本身的光学性能、镜面的楞型结构、焦斑的位置大小尺寸以及焦斑的能量分布等多个方面。

早在70年代美国NASA就对菲涅尔太阳能聚光器的设计方法和透过率计算做了详尽的概述，为以后菲涅尔聚光器的研究给以指导作用；成立于1986年的美国菲涅尔透镜科技公司，较早从事菲涅尔透镜的设计和光学应用，并在其领域颇有建树；1991年陕西省物理研究所郭孝武给出了综合性的菲涅尔统一设计方法，给予了后来研究者以指导性作用，之后陆续有众多学者对菲涅尔透镜的设计性能以及效率计算提出了各种具有建设性的创新[7]；2007年清华大学赵彤新的Archimedes螺线式菲涅尔透镜的设计及加工方法，简化了传统聚光器加工工艺[8]；2008年哈尔滨工业大学刘颖系统地论述了太阳能聚光器能流密度分布理论[9]；2008年第十届中国光伏会议暨展览会上上簿华达运新能源科技公司展览太阳能500倍聚焦发电系统；2008年IBM公司利用菲涅尔透镜进行聚光然后将其投射到太阳能电池板上，借此增大太阳光的强度，从而增加太阳能电池的发电量，通过这种方法，成功的将230瓦的太阳能转化成了70瓦的电力，转化效率约为传统太阳能系统的5倍；美国Amonix公司已采用菲涅尔透镜建造了聚光比达500倍的聚光光伏发电系统，最近Wagner等提出采用菲涅尔透镜进行太阳光谱分离的研究预计可以设计出效率超过50％的聚光光伏旋电系统。

现今，不少科研机构与个人仍致力于研究菲涅尔太阳能聚光器的相关技术，不断改进设计方案，如菲涅尔线聚光太阳能电池、免跟踪式菲涅尔聚光器等等，进一步利用太阳能提供能量以方便人类的生活。

可见在现在太阳能应用蓬勃的今天，菲涅尔聚光器的研究仍然是一重大课题。

1.3论文研究的主要内容

论文首先详细介绍了太阳能发电技术中的光伏发电技术的原理，并简单介绍了太阳能光伏发电技术的几种关键技术，太阳能光伏发电系统及太阳能光伏发电的发展。

然后，介绍了聚光光伏技术，聚光太阳能电池，聚光器以及其在太阳能电池中的应用，并介绍了几种太阳能聚光器。

其次，介绍了菲涅尔透镜及其历史、发展、分类，详细阐述了其光学原理，并从弧形基面菲涅尔聚光器的结构设计出发，给出统一设计公式的简略推导过程，获得能够适应弧形基面和平基面形状的菲涅尔聚光器、楞面朝外或者朝内的透镜、以及点聚焦和线聚焦等不同类型的菲涅尔聚光器的结构设计的一般设计公。

然后提出了两个影响太阳能利用率的因素，并简单介绍了针对该因素现有的解决方案。

在此基础上，以平面楞形朝外的菲涅尔透镜为例，选择了适当参数，利用公式进行计算，并用Zemax软件进行了模拟仿真，分析了该透镜的相关性能。

2太阳能光伏发电技术

正如前文所述，在能源紧缺生态破坏的现状下，新能源和可再生清洁能源的开发利用已成为各个国家研究的重点。

太阳能正是这种可再生清洁能源之一，并且太阳能分布广泛，取用方便，储量丰富，可谓是取之不尽用之不竭。

2.1太阳能发电技术

太阳能利用是将太阳能转化为其它形式的能源的技术，它具有广阔的应用前景。

目前太阳能利用的方式有：

太阳能发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化学利用，太阳能生物利用和太阳能光——光利用。

近三十年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一[10]。

太阳能发电就是把太阳照射的能量转化为电能的方法，主要有太阳能光发电和太阳能热发电两种基本方式。

把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电的利用方式称为太阳能热发电。

太阳能热发电有多种类型，主要有以下五种：

塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。

前三种是聚光型太阳能热发电系统，后两种是非聚光型。

不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的利用方式称为太阳能光发电，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电，目前得到实际应用的是光伏电池[11]。

2.2太阳能光伏发电简介

太阳能光伏发电是利用半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳能发电的主流。

目前世界上应用最广泛的太阳能电池是单晶体硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。

太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术，是一种既清洁又环保的绿色能源，是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础，是一项很有前景的研究课题[12]。

太阳能光伏发电具有许多优点，如：

安全可靠、无噪声，能量随处可得，不受地域限制，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。

在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具活力的研究领域。

从上世纪70年代开始太阳能光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国等国家都大力发展光伏发电产业，他们走在了世界的前列；我国在光伏发电技术研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展[13]。

2.3太阳能光伏发电原理

太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏特效应，具体是指当太阳光或其他光照射半导体PN的结时，就会在PN结的两边产生电压，称为光生电压，进而产生电流。

2.3.1光生伏特原理

光生伏特效应的基本原理如图2.l所示。

半导体材料组成的PN结，其两侧因多数载流子（N区中的电子和P区中的空穴）向对方扩散而形成宽度很窄的空间电荷区W，建立自建电场Ei。

它对两边多数载流子是势垒，阻挡其继续向对方扩散，即阻止N区中的电子向P区、P区中的空穴向N区的扩散运动，但它对两边的少数载流子（N区中的空穴和P区中的电子）却有促进作用，即能促进N区中的空穴向P区、P区中的电子向N区的漂移运动。

在稳定平衡时，少数载流子极少，难以构成电流和输出电能。

但是，当太阳光照射到PN结时，如图2.l（b）所示，一部分被反射，其余部分被PN结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热，另一部分以光子的形式与组成PN结的原子的价电子碰撞，产生大量处于非平衡状态的电子——空穴对，其中的光生非平衡少数载流子在内建电场Ei的作用下，P区中的光生非平衡电子驱向N区，N区中的光生非平衡空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，这样在PN结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场Eph。

光生电场除一部分抵消内建电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区和P区之间的薄层产生光生电动势，这种现象称为光生伏特效应。

若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通外部电路时，在持续光照下，外电路就会有电流通过，输出电能，如此就形成了一个光伏电池元件。

当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列时，就可以在太阳能的作用下产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换，如图2.2。

2.3.2等效电路

图2.3为光伏电池等效电路，其中Iph为与光伏电池面积、入射光辐照度成正比的光生电流（1cm2硅光伏电池的Iph值为16~30mA）；ID、Ish分别为P-N结的正向电流、漏电流；串联电阻RS主要由电池体电阻、电极导体电阻等组成（RS一般<1Ω）；旁漏电阻Rsh由硅片边缘不清洁或体内缺陷所致（Rsh一般为几kΩ）；RL为外接负载电阻，IL、U0分别为光伏电池的输出电流、电压；当负载开路（RL=∞）时，U0即为开路电压Uoc，其与环境温度成反比，与电池面积无关（在100mW/cm2的光谱辐照度下，硅光伏电池的Uoc一般为450~600mV）。

与图2.3对应的光伏电池解析模型为：

上式中，Isc为RL=0时的短路电流（A）；T为环境温度（K）；Tref为参考温度（一般取298K）；S为实际太阳光辐照度（W/m2）；CT为温度系数（A/K）；q为电子负荷，q=1.6×10-29C；k为波耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；n、ID0分别为二极管排放系数、反向电流；Eg为本征半导体禁带宽度的常量（V）。

2.3.3伏安特性和功率特性

图2.4为在环境温度25℃（T=298K），太阳光辐照度S=l000W/m2条件下某光伏模块的仿真输出特性。

图2.4表明，一定的温度、照度下，Iph=f（Isc）已知，ID=f（U0），则IL=f（U0）。

光伏电池对应存在一个可能的最大功率输出运行点（Pmax=UpmaxIpmax），但实际工作点则是光伏电池伏安特性与负载伏安特性的交点。

图2.4（a）中，给出了3条不同阻值RL1，RL*，RL2的电阻负载伏安特性（RL1

事实上，光伏电池的短路电流与辐照度成正比，开路电压与温度成反比，辐照度增加、温度降低将使其最大功率增加，故随着天气（辐照度、温度）变化，应实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处，以实现“最大功率点跟踪（MPPT）”[14]。

2.4太阳能光伏发电的关键技术

（1）材料工艺

半导体光伏效应的光谱响应决定于它的禁带宽度。

低于禁带宽度的光子不能使电子从价带跃迁到导带；高于禁带的光子会激发载流子的带间跃迁，但是其高于禁带宽度部分的能量最终以热量的方式耗散，不能充分利用。

最常用的硅材料，禁带宽度为1.1eV，因此硅太阳能电池光电转换效率最高的波段就位于近红外波段。

对太阳能光谱峰值附近的光子，硅太阳能电池的转换效率比较低。

为了提高太阳能的转换效率，必须利用包括禁带宽度相当于可见光波段和红外波段的若干种半导体材料，以尽可能的与太阳能光谱相匹配[15]。

总的来说，对太阳能电池在能量转换时的效率影响，主要是电学损失和光学损失。

光学损失主要是表面反射、遮挡损失和太阳能电池材料本身的光谱响应特性。

电学损失一般可归结为载流子损失和欧姆损失等。

针对这些障碍，近些年来研究开发了许多新技术、新工艺。

主要有：

a.双层减反射膜；b.激光或机械刻槽埋藏栅线及技术；c.绒面技术；d.背点接触电极克服术；e.高效反射器技术；f.光吸收技术等。

（2）光线自动跟踪

用光线自动跟踪的方式，使太阳能电池板的朝向精确跟随太阳位置的变化，始终保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，亦是提高转换效率的方法之一。

理想情况下，可以使转换效率提高30％以上。

在各种光线自动跟踪系统中，最核心的部分是对光线强度的检测与比较，其精度的高低是决定系统性能的重要的指标，也决定了光伏系统的转换效率。

（3）电能的控制

太阳光是一种清洁、无污染的能源，但同时和气候、温度、环境的变化息息相关，所以利用太阳光发电其输出功率具有一定的随机性，因而控制器对