機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計外文資料翻譯--psa太陽爐 一個測試光伏電池受太陽集中輻射的設(shè)備

1、<p>　　機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯</p><p>　　教 科 部： 材料工程教科部 </p><p>　　專 業(yè)： 材料成型及控制工程 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　外 文 出 處： Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2006) 2480–2488</p><p>　　附 件：PSA S

3、olar furnace: A facility for testing PV cells under concentrated solar radiation</p><p>　　注：請將該封面與附件裝訂成冊。</p><p>　　PSA太陽爐: 一個測試光伏電池受太陽集中輻射的設(shè)備</p><p><b>　　摘要</b></p>

4、;<p>　　阿爾梅里亞太陽能熱機構(gòu)（PSA），是歐洲最大的研究，開發(fā)和測試集中太陽能技術(shù)中心，它已開始運用它的知識，設(shè)施和資源，來發(fā)展一個在歐盟資助下的集中光伏技術(shù)項目HiConPV。一個用于測試低于2000個光伏電池下集中太陽輻射的設(shè)施，已經(jīng)近來被完成。這套設(shè)施的優(yōu)勢是，因為它被太陽輻射照亮,有可能獲得適當(dāng)?shù)膯卧庾V響應(yīng)直接和閃存測試設(shè)備結(jié)合在長期光伏電池照射的大表面(多達150 cm2以上)上，所以可與熱響應(yīng)光伏電池

5、的評估同時進行。</p><p>　　關(guān)鍵字：集中光伏；AsGa電池；試驗設(shè)備</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　制作高效的Ⅲ-Ⅴ太陽能電池在最近十年發(fā)生了明顯的進步。先進的濃差電池效率達到35％以上。這使它們成為有吸引力的在高度集中系統(tǒng)中使用的候選者。對于中型發(fā)電廠（0.1-10MW），1000-×集

6、中系統(tǒng)，可以擁有任何最低的預(yù)計費用的光伏系統(tǒng)[1]。</p><p>　　集中光伏系統(tǒng)，可以降低成本，在不久的將來，太陽能發(fā)電將成為我們能源供應(yīng)中相當(dāng)大的一部分。實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，需要在光學(xué)方面改進，為光學(xué)工程師提供科研機會。如果該系統(tǒng)連續(xù)運作1000次，則目前的多結(jié)太陽能電池可為美國制造業(yè)提供1GW/年的電能[2]。</p><p>　　考慮到研發(fā)的需要，該技術(shù)將發(fā)展到商業(yè)階段，CIEM

7、AT（能源與環(huán)境技術(shù)研究中心，依賴于西班牙教育和科學(xué)部）已經(jīng)結(jié)合了兩個它的部門：阿爾梅里亞太陽能機構(gòu)的太陽集中系統(tǒng)（PSA）和光伏組件與系統(tǒng)的可再生能源公司聯(lián)合加入該集中光伏技術(shù)領(lǐng)域。</p><p>　　因此，PSA是歐洲最大的開發(fā)和測試集中太陽熱技術(shù)研究中心。它為HiConPV項目在太陽集中系統(tǒng)貢獻它廣泛的經(jīng)驗，而光電組件和系統(tǒng)則在西班牙為以太陽能光伏發(fā)電為中心的光伏技術(shù)貢獻自己的經(jīng)驗和知識。在這框架中隨著兩

8、個組的合作，當(dāng)太陽能集中度達到1000-×之上時，CIEMAT已經(jīng)在PSA為太陽爐提供所有的必需裝備以建立濃差光伏電池/試驗面板。</p><p>　　這篇文章描述的是PSA的濃度光伏電池表征設(shè)施和第一次從測試光伏電池而取得的成果。</p><p><b>　　2、概述</b></p><p>　　太陽爐是太陽能集中設(shè)施，因此能達到較

9、高濃度水平，集中太陽輻射甚至可達幾千個太陽的水平。</p><p>　　PSA太陽爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。太陽爐系統(tǒng)由一臺平面日光反射裝置,百葉窗,拋物線形集中裝置和試驗工作臺構(gòu)成。日光被日光反射裝置反射到集中裝置并集中照射到放有待測試驗物的拋物線焦點上。百葉窗控制從日光反射裝置入射到拋物線形集中裝置中陽光的總量。</p><p>　　平面日光反射裝置有140m2的反射面積。日光反射裝置

10、的反射率是93%，太陽跟蹤系統(tǒng)是由電腦控制的。</p><p>　　寬11.5m，高11.2m的百葉窗是由兩欄30個板條組成的。板條的傾斜是步進電動機15896步驟從0°(開放)到55°（關(guān)閉）控制的，并以此控制由日光反射裝置進來的陽光，因此可以集中太陽輻射到光伏電池上。</p><p>　　圖1 PSA太陽爐結(jié)構(gòu)示意圖 所有太陽反射面均鍍銀</p>

11、<p>　　拋物線形集中裝置有一個面積為98.5m2，反射率為94%的反射區(qū)域，它是由89個1.21m寬，0.91m高的球形夾層式小平面圍繞5個同心拋物線組成。由日光反射裝置校準(zhǔn)的日光被每個小平面集中到焦點上。</p><p>　　待測試驗物被放置在處于焦點的可移動試驗工作臺(0.6×0.7m)上。三臺步進電動機控制工作臺在以850mm長為X軸（東西方向），600mm長為Y軸(集中裝置方向)和

12、450mm長為Z軸(垂直方向)的坐標(biāo)系內(nèi)運動。百葉窗和試驗工作臺的運動是控制室的電腦控制的。</p><p>　　由于這一標(biāo)準(zhǔn)配置，PSA太陽爐可以通過一個超過3000能量的20cm直徑光束加強自然太陽能光束（大約800-1000w/m2），使它的能量密度達到3000kw/m2。</p><p><b>　　3、儀器性能</b></p><p>

13、;　　PSA太陽爐裝備了所有描述光伏電池的必需儀器，而且可以再生測試到目前為止必須與閃光燈一起做的集中太陽輻射試驗[4]，通過增加曝光時間得到額外有利條件，試驗也能提供電池的熱反應(yīng)。</p><p>　　在描述太陽能電池之前必須描述太陽輻射的特征。要做到這一點，除了輻射測量站外，爐子還要有一臺量程為200-1100nm的Avantes AvaSpec-2048-2分光儀[5]，一臺分辨率為2.4nm的可以測量日光

14、反射裝置初反射和集中裝置次反射的光伏電池太陽光譜的儀器。因此，這使電池反應(yīng)的光譜修正成為可能。</p><p>　　圖2 快速百葉窗 該裝置允許的太陽輻射持續(xù)時間為1ms</p><p>　　焦點處流量和進入有百葉窗的衰減器輻射量成比例。然后，必須用三個不同的百葉窗集中太陽輻射到光伏電池上[6]（圖2）。這三個百葉窗的運動是在相同的控制系統(tǒng)之下，允許控制光伏電池從1ms到更持續(xù)的照明時

15、間。</p><p>　　因此，百葉窗衰減器在日光反射裝置和集中器之間，允許控制太陽輻射對準(zhǔn)集中器，修正焦點的濃度水平從0%到100%和幾秒之間的點?？彀偃~窗位于集中器和焦面之間，是由一個氣動活塞和蓋帽（關(guān)閉）或允許通過（開放）的方式控制集中太陽輻射的。它名義上的開閉時間大約在0.5s。</p><p>　　最后，轉(zhuǎn)動光柵位于快速百葉窗和焦面之間，允許用受限制的持續(xù)時間產(chǎn)生一連串的集中太陽

16、輻射脈沖。</p><p>　　同步旋轉(zhuǎn)快門是一種測量I-V電池曲線的工具，它可以使所有曲線上的點在連續(xù)輻射閃爍中實現(xiàn)。I-V光伏電池的曲線已經(jīng)通過使用下列儀器獲得:</p><p>　　Yokogawa PZ4000功率分析器。</p><p>　　Agilent 33220A 波形發(fā)生器。</p><p>　　Kepco雙極直流電源。&l

17、t;/p><p>　　目前通用的距離測量設(shè)備達1,000V電壓及30A電流，但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)能夠容易地被延長或者被修正以達到測試要求。 </p><p>　　圖3 I-V曲線測量試驗設(shè)備示意圖</p><p>　　圖3顯示的是測量I - V曲線的儀器結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置根據(jù)試驗設(shè)在太陽能爐的焦點位置。其在焦點的位置可在XYZ坐系內(nèi)控制。這樣試驗照明時間可通過兩

18、個百葉窗的使用來控制。該裝置根據(jù)試驗與一個冷卻裝置（利用水流）安裝在一起，以限制其溫度，并用熱電偶測量其溫度。</p><p>　　如圖3所示，光伏電池的正負(fù)極連接在Kepco雙極直流電源上，通過波形發(fā)生器（Agilent 33220A）實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換（從Isc到Voc)。波形發(fā)生器能夠生成一個預(yù)先編程的模擬輸出電壓(在0到±10v范圍內(nèi) ）并且選擇這個信號周期。波形發(fā)生器的輸出端被連接在Kepco雙極直

19、流電源控制的模擬電壓上,并且擴大輸出電壓量。例如，電壓在30ms內(nèi)以線性直線上升，大約從-0.5到1.3V橫掃通道來測試單一AsGa光伏電池。</p><p>　　電路的測量通道之一被連接到PZ4000上，當(dāng)電壓成分復(fù)雜的時候，以其在一定范圍內(nèi)測量電流。同樣，電壓是通過PZ4000使用四個電線連接來測量的(即電壓的測量盡可能接近輸出端的光伏電池）。</p><p>　　Yokogawa P

20、Z4000功率分析器的兩個通道(電流和電壓)作為一種高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其通過試驗在一定范圍內(nèi)測量電流和電壓。PZ4000能測量的形式為直流到5M信號/s，它的精度為0.2％+0.05％范圍內(nèi)。1秒掃描時間用于：電壓范圍為30V（最低可選），以及分別取決于電流測量裝置的電流范圍：0.1A（最低可選），0.2，0.4，1及2A。</p><p>　　此外，對于I-V曲線快速測量設(shè)備，測量光伏電池的固定狀態(tài)是慢的[

21、7]（需要4s描述I-V曲線）。測量范圍上升到電壓1000V和電流100A。</p><p>　　光伏電池濃度是由兩個不同的系統(tǒng)同時測量的。一個標(biāo)準(zhǔn)的光伏電池的電流可以建立于任何濃度，并且可以在任一系統(tǒng)中測量，它廣泛用應(yīng)于尋找太陽熱力系統(tǒng)[8]的太陽輻射事件，掃描輻射計的一個矩陣掃描電池表面得到一張?zhí)柋砻孑椛涫录D。由此，光電池總的反應(yīng)能量可以在圖4所示的測量太陽輻射事件系統(tǒng)圖表上找到。</p>

22、<p>　　為了使光伏電池處于最大電池工作溫度之下，一個冷卻回路已經(jīng)安裝在熱交換器[9]的電池受熱嚴(yán)重的地方。熱交換器進口和出口處的水壓，流速和溫度一直被監(jiān)控。同時，一個紅外照相機盡可能找出溫度在電池前表面的分布，而在后面，T型和K型熱電偶則測量幾個不同的重要的點的溫度。</p><p>　　圖4 快速直接流量測量系統(tǒng)示意圖</p><p>　　所有的信號都是來自一個國家儀器數(shù)

23、據(jù)采集及控制系統(tǒng)整和的工作臺，其容納采樣頻率高達500k個信號/s。除了監(jiān)控信號外,系統(tǒng)也控制冷卻水的流動速度以保持電池溫度不變，以及高速轉(zhuǎn)動光柵來控制集中輻射的曝光時間和百葉窗，因此，光電池的濃度是受限制的。</p><p><b>　　4、試驗的可能性</b></p><p>　　安裝在PSA太陽爐內(nèi)的試驗臺通?？梢栽?00×100mm2范圍內(nèi)描述和測試

24、單一電池或濃差電池，然而，這能被容易地改進并且適應(yīng)電池/面板的測試需求。在這100cm2受輻射區(qū)域內(nèi),空間輻射分布的改變小于最大流量的10%。</p><p>　　通過使用高速轉(zhuǎn)動光柵，使得在十分之幾秒到1ms的時間內(nèi)，控制溫度和電池曝光時間的同時可以集中陽光照射電池。這樣，I–V電池曲線可以被劃分和其他參數(shù)一起描述光電系統(tǒng)，例如，短路電流(Isc),開路電壓(Voc),功率(Pm),強度和最大功率點處（Im,V

25、m）的電壓,效率（η）等等也都可以確定。</p><p>　　同時，可以通過真實工作條件下研究光電系統(tǒng)的熱行為的方法增加曝光時間。這樣，所有參數(shù)的變化表達的光電系統(tǒng)（電池或面板）可以用來描述溫度的作用。</p><p>　　所有這些測試都可以在不同的濃度下完成，從有幾個太陽濃度（1-10×）到通過上面百葉窗獲得的超過2000×的濃度。所以該系統(tǒng)可以描述整個一系列不同的作

26、業(yè)濃度，并始終處于自然光照下。</p><p><b>　　5、第一結(jié)果</b></p><p>　　上文所述的是一套表面積從1mm2 到1cm2的位于PSA太陽爐內(nèi)的AsGa濃差光伏電池結(jié)構(gòu)。表1是光伏電池試驗的概括。</p><p>　　一次試驗條件下PSA 太陽爐中安裝測量程序如下:</p><p>　　1、把低速

27、百葉窗打開到一定比例。</p><p>　　2、開關(guān)高速百葉窗（脈沖）。</p><p><b>　　表 1</b></p><p>　　PSA太陽爐內(nèi)的濃差光伏電池試驗。試驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)的是C=1×時的理論意義。</p><p>　　圖 5 Hicon7 電池在不同光照輻射濃度下（著色曲線）的I-V曲線<

28、/p><p>　　3、在高速百葉窗開放/關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間,PZ 4000自動打開開關(guān)(由光伏電池提供的現(xiàn)電流控制的)傳送給波形發(fā)生器，讓其產(chǎn)生一預(yù)編上升電壓給kepco直流電源。這樣，在PZ 4000存儲器內(nèi)的經(jīng)過測量的電壓和電流是可用的。</p><p><b>　　關(guān)閉低速百葉窗。</b></p><p>　　5、一特有軟件被發(fā)展下載電壓和電流數(shù)據(jù)

29、貯存在PZ 4000內(nèi),并以適當(dāng)?shù)姆绞酱嬖谟嬎銠C的一個文件內(nèi)。</p><p>　　電池被放在太陽爐試驗臺上，并分別受到不同濃度的太陽輻射。相應(yīng)的I-V曲線被一一確定。圖5表示的是各個光照濃度下得到的不同I-V曲線。由此可以看出，短路電流隨著濃度以及開路電壓增加。</p><p><b>　　感謝：</b></p><p>　　作者感謝歐盟委員

30、會為HiConPV項目（合同號ENK6-CT-2004-502626）提供的財政支持。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] S. Van Riensen, R. Lo¨ ckenhoff, F. Dimroth, A.W. Bett, GaAs-Monolithically Interconnected Modules

31、(MIMS) with a Efficiency above 20%, in: Proceedings of the 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference. CD-rom. Paris, 2004.</p><p>　　[2] S. Kurtz, D. Friedman, Opt. Photonics News (June 2005) 31.<

32、;/p><p>　　[3] D. Martinez, J. Rodriguez, Surface Treatment by Concentrated Solar Energy: The Solar Furnace at the‘Plataforma Solar de Almeria’. Surface Modifications Technologies, vol. IX, The Institute of Mat

33、erials,London. 1998, pp. 441–447.</p><p>　　[4] W. Warta, G. Siefer, Standard Test conditions for cells and receivers under synthetic light. C-Rating Project Internal Report, 1999.</p><p>　　[5]

34、 Avantes. AvaSpec Operating Manual. v1.2. Electronically available at < www.avantes.com >. 2003.</p><p>　　[6] J. Fernandez-Reche, L. Yebra, High Speed Shutter at PSA Solar Furnace and Other Equi

35、pment. Ref.: PSA-CIEMAT-03-2004. HiConPV Internal Report, 2004.</p><p>　　[7] PV_Engineering GmbH. PVPM1000C Peak Power Measuring Device for PV_Modules Users Manual. 2004 edition. Electronically available at

36、 <www.pv_engineering.de>.</p><p>　　[8] J. Ballestrin, R. Monterreal, Energy 29 (2004) 915.</p><p>　　[9] C. Zahler, Report on Design and Test of the Cooling System. HiConPV Internal Re