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出射角受制约的复合抛物面聚光系统性能研究

随着化石能源的逐渐枯竭及其在开发和使用过程中所引起的环境问题,太阳能的光伏发电受到全球广泛的关注,但与常规发电技术相比,光伏发电价格高,其应用受到了制约。利用低价的聚光器来减少昂贵太阳电池的使用被广泛地视为降低光伏发电成本的有效技术之一。

复合抛物面聚光器(CompoundParabolicConcentrator,CPC)是由两个抛物面组成的非成像理想聚光器,近年来因其结构简单、不需要跟踪等优点而受到广泛关注。理论上,几何聚光比为Ct的CPC聚光光伏系统的光伏输出应为同类非聚光光伏系统的Ct倍,但实际的输出却远小于该理论值。

其主要原因为：一是CPC内太阳电池的光照不均匀导致的电损失；二是经CPC反射面下端反射后的光线到达太阳电池上的入射角太大,不能被太阳电池充分吸收并转化为光伏输出。本文针对CPC的技术缺陷,提出将传统CPC(因其光线出射角在00-90°之间,简称CPC-90)反射面的下端改成平面,使之成为出射角受制约的新型CPC,旨在改善基于CPC聚光光伏系统的性能。

该CPC具有两个优点：是经其反射面反射后的光线在太阳电池上的入射角小于设定的角度θ。(简称CPC-θe);二是经反射面下端反射后的光线到达太阳电池表面的光照更均匀。

论文围绕基于CPC-θe聚光光伏系统(CPV-θe)的光学性能和光电性能展开理论和实验研究,旨在揭示CPV-θe的性能是否真正优于基于CPC-90光伏系统(CPV-90)的性能。论文首先介绍了CPC的设计原理和理论,提出了CPC的线画法,归纳和总结了CPC的光学和几何特性,研究了CPC结构和安装参数选择的技术要求。

然后建立了用于表征CPC-θe光学效率因子与光线在CPC-θe横截面上的投影入射角(θ.)的数学表达式,结合太阳几何学和太阳辐射理论建立了计算CPC-θe年采光量的数学模型,研究了不同倾角调整模式下CPC-θe年采光量最大所对应的优化设计。研究结果表明：不论采用哪种倾角调整模式,CPC-90的年采光量稍高于CPC-θe的年采光量。

这就意味着,如果太阳电池对太阳辐射为各向同性接收体,CPC-90的聚光性能优于CPC-θe。计算结果还显示：东西向固定倾角CPC年采光量最大所对应的最佳接收半角(θ。

)为260-27°；对于一年调整2次倾角的CPC,其最佳倾角调整量约为22°；对于一年调整4次倾角的CPC,其最佳倾角调整时间为两分日前后22天左右,最佳倾角调整量为220-24°。建立了表征CPC-90和CPC-θe对入射角有限制的吸收体(即吸收体对入射角大于θ。

的太阳光不能吸收,RWARIA)聚光的光学效率因子的数学表达式和计算年采光量的数学模型。研究结果表明：除了两分日前后30天以外,固定倾角下的全CPC-θe年采聚光量略高于全CPC-90；对于几何聚光比和接收半角相同的截短CPC-θe和截短CPC-90,一年中的任何一天CPC-θe的采光量均高于CPC-90。

这表明如果太阳电池对入射角大于某一角度的光线不能吸收,则CPC-θe的聚光性能比CPC-90更优越。利用光线追踪法研究了CPC-θ。

和CPC-90吸收体上的光强分布及漫反射对光强分布和光学效率的影响。研究结果表明：CPC-θe吸收体上的光强度分布比CPC-90更均匀；漫反射的存在对改善吸收体上光强度分布没有任何正面效果,相反会大大降低聚光器的光学性能。

依据二维辐射传递理论,建立了表征反射面既有镜面反射又有漫反射时CPC-90的光学效率因子与θ.的数学关系,定量研究漫反射对CPC-90光学性能的影响。研究结果表明：漫反射对CPC-90的性能有很大的影响,漫反射率越高,年采光量越低。

为了对比研究基于CPC-90和CPC-65的聚光光伏组件(CPCbasedPhotovoltaic,CPV)的光伏性能,设计制作了两套聚光光伏组件,二者有相同的接收半角(θ。=20°)和几何聚光比(2×)。

理论分析表明：CPV-90组件的年采光量比CPV-65组件的年采光量高3%-5%；对于CPV-65,到达电池上所有光线的入射角小于65°,而对于CPV-90,入射到太阳电池上的光线中有8%-10%光线的入射角大于65°。实验研究表明：当太阳光在非聚光组件上的入射角大于60°时,其光伏转换效率迅速下降；θ为0°、10。

和16°时,CPV-65的最大输出功率分别比CPV-90增加了2.1%、5.4%和8.17%。分析表明：太阳光线在电池上的入射角对光伏输出有显著的影响,而光照均匀性对光伏输出的影响并不显著；进一步的研究表明：除了在太阳辐射资源贫匮的地区外,CPV-65的年发电量略高于CPV-90。

这意味着从年发电量来看,CPV-65优于CPV-90。