Fresnel聚光器的優(yōu)化設計及其在聚光光伏中的應用研究.pdf

1、為提高聚光光伏技術的競爭力，急需進一步提高聚光光伏產品的性能，降低發(fā)電成本。目前，國內GaInP/GaInAs/Ge多結聚光太陽電池的產業(yè)化效率已達到40％以上，然而聚光光伏模組的效率卻遠低于聚光電池的效率。分析各種非理想因素的影響，發(fā)現聚光器件是主要的效率損失來源之一。傳統(tǒng)平板型Fresnel聚光器主要基于成像原理和單波長設計，聚光效果并不理想，主要體現在:(1)寬光譜內的色散導致了嚴重的截斷損失，從而降低了聚光器的聚光效率;(2)存

2、在聚焦光斑空間和光譜分布不均勻的問題，導致GaInP/GaInAs/Ge多結電池短路電流、填充因子以及光電轉換效率的降低。為充分利用GaInP/GaInAs/Ge多結電池的高效率，需要配備性能優(yōu)異的聚光器，從而提高聚光光伏模組的產業(yè)化效率。針對以上問題，本論文在國家863項目“兆瓦級高倍聚光化合物太陽電池產業(yè)化關鍵技術(2011AA050507)”的支持下，采用理論分析、仿真計算和實驗研究相結合的方法，進行了新型Fresnel聚光器的設

3、計研發(fā)工作，同時展開新型Fresnel聚光器在聚光光伏應用中的研究，促進了聚光光伏模組光電轉換效率的提升。具體研究成果如下:
　　1.建立了Fresnel聚光器性能表征參數的理論計算模型。引入截斷損失的概念，定量分析了Fresnel聚光器的光學損失，對影響聚光效率的因素進行了詳細的理論分析;基于光線追跡法，建立了聚焦光斑均勻性的理論計算模型。
　　2.優(yōu)化設計了一種適用于GaInP/GaInAs/Ge多結太陽電池的高效均勻聚

4、光Fresnel透鏡。綜合考慮AMl.5D太陽光譜、各子電池的光譜響應特性及透鏡材料的折射率色散曲線，采用多波長與多焦點相結合的設計方法，對Fresnel透鏡進行優(yōu)化設計。基于光線追跡法，對該新型透鏡的聚光性能進行評估，仿真結果表明:所設計的透鏡在300～1800 nm寬光譜范圍內以及各子電池光譜響應波段內的聚光分布均勻度都高于75％，聚光效率均大于80％;
　　3.對高倍聚光光伏單元進行了電性能仿真分析及實驗研究。以多結太陽電池

5、的等效電路為基礎，建立了簡化的三維分布式網格電路模型，并通過LTspice+Matlab的方法實現了非均勻聚光條件下多結太陽電池I-V特性的仿真分析。將所設計的新型Fresnel透鏡與GaInP/GaInAs/Ge多結太陽電池接收模塊組成高倍聚光光伏單元，基于所建立的三維分布式網格電路模型和光線追跡法，對高倍聚光光伏單元的電學性能進行了仿真分析。仿真結果表明:所設計的新型Fresnel透鏡聚光光伏單元的光電轉換效率為32.4％，比點聚焦

6、Fresnel透鏡聚光光伏單元的轉換效率提升了近8％。在仿真研究的基礎之上，搭建了戶外測試平臺，對所設計Fresnel透鏡的聚光性能和聚光光伏單元的電學特性進行了實際測試。
　　4.研制出基于新型Fresnel聚光器的聚光光伏模組。通過增加大口徑導光筒裝置，使聚光光伏模組的接收角達到了1°以上，降低了對跟蹤器精度的要求，提高了模組的可靠性?；谏岱治龊统杀究紤]，確定了封裝材料以及模組的結構。通過優(yōu)化封裝工藝，控制安裝誤差，制備了