使用多層光學(xué)介質(zhì)薄膜濾光的聚光太陽能發(fā)電技術(shù)的理論與實驗研究.pdf

1、地球表面接受的太陽能輻射具有能流密度低、光譜分布范圍寬的特點。使用聚光器匯集太陽能；針對不同波長段的太陽輻射能量，分別利用相應(yīng)的匹配性好、性能突出的多種太陽能發(fā)電元件轉(zhuǎn)化能量，可以獲得比傳統(tǒng)的單一利用方法更好的效果。
　　本文以發(fā)展較成熟的晶體硅太陽光伏電池做為主要發(fā)電部件，探索其與溫差發(fā)電元件以及斯特林發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建聚光分頻聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，更全面地利用太陽輻射全波段能量的方法。根據(jù)典型的硅電池特性及與其聯(lián)合使用的不同發(fā)電元件性能，展

2、開了對應(yīng)的介質(zhì)多層薄膜濾光器研究。
　　首先，介紹了地球接受的太陽輻射的特點，以及中國太陽能資源分布的情況；闡述了根據(jù)不同地域條件、氣象情況，結(jié)合太陽輻射寬頻、低能流密度和不穩(wěn)定等特點合理利用太陽能的必要性，交代了全文工作的研究背景。介紹了主要的太陽能發(fā)電方式及其發(fā)展現(xiàn)狀；綜述了從太陽光譜特征入手優(yōu)化太陽能發(fā)電效果的主要手段；分析了基于太陽能利用的主要分頻技術(shù)及其發(fā)展情況。根據(jù)文獻(xiàn)綜述情況，制定了使用光學(xué)介質(zhì)薄膜對太陽入射光分頻，

3、利用以硅電池為主的多種發(fā)電方式聯(lián)合使用入射太陽輻射能量的方案。同時，提出了本文的主體結(jié)構(gòu)和研究內(nèi)容。
　　介紹了光學(xué)薄膜設(shè)計的基礎(chǔ)理論，根據(jù)電磁波理論分析了入射太陽光波與薄膜系統(tǒng)相互作用的情況。研究了薄膜主要物理參數(shù)如：膜料性能、薄膜基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特征等與濾光薄膜系統(tǒng)的光學(xué)性能間的關(guān)系。通過比較薄膜設(shè)計的兩種方法：經(jīng)典解析解法和計算機(jī)輔助的數(shù)值解法，確定了將兩者相結(jié)合聯(lián)合使用，設(shè)計本文需要的濾光器。
　　根據(jù)典型溫差發(fā)電元件與碟式

4、斯特林系統(tǒng)的性能參數(shù)，以及硅電池的發(fā)電性能計算結(jié)果，確定了三種不同濾光薄膜系統(tǒng)的設(shè)計要求。選用了鍍膜加工過程中性能穩(wěn)定的介質(zhì)材料作為設(shè)計原料。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，利用解析解法計算了每一類濾光器的初始設(shè)計方案。使用針形數(shù)值方法優(yōu)化了初始解的薄膜結(jié)構(gòu)，獲得了滿足要求的三套設(shè)計結(jié)果。采用電子束加熱蒸發(fā)的鍍膜手段，制作了其中兩種方案的濾光片樣品，檢測其光學(xué)性能很好地實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)。
　　在室外利用自然太陽光條件，實驗測試了多種硅電池使用不同濾光

5、片樣品在各種聚光條件下的發(fā)電效果。濾光器的使用可以明顯改善電池短路電流與最大輸出功率兩種主要電輸出性能參數(shù)隨入射能量增加的變化情況，讓硅電池的實際工作效率與整體發(fā)電效率相比不使用濾光片的情況得到優(yōu)化。
　　建立了針對光伏—溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)與光伏—碟式斯特林發(fā)電聯(lián)合利用系統(tǒng)的分析模型。根據(jù)光學(xué)濾光片的設(shè)計結(jié)果，使用標(biāo)準(zhǔn)直射輻射入射光譜，計算了3種不同硅電池作為光伏元件的光伏-溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在非聚光條件下的發(fā)電效率，分析了濾

6、光器帶來的發(fā)電效果變化情況；計算了使用聚光硅電池作為光伏端的光伏-溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)與光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)合利用系統(tǒng)在不同聚光倍數(shù)下的系統(tǒng)發(fā)電效果，比較分析了聚光分頻聯(lián)用方案與單一元件發(fā)電系統(tǒng)的差異。證明了光伏—溫差元件聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可以在更高聚光倍數(shù)的條件下，利用相對更少的光伏材料獲得比普通聚光光伏系統(tǒng)更多的電能。證明了光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)合利用系統(tǒng)可以獲得比普通碟式斯特林系統(tǒng)更高的發(fā)電效率。以及更長的日平均發(fā)電時數(shù)；同時可以獲得

7、比普通的聚光光伏系統(tǒng)更好的發(fā)電效率、更高的聚光比范圍以及在入射能量條件自然變化時提供更穩(wěn)定的發(fā)電效果。
　　采用SMARTS太陽光譜分析模型計算了杭州典型氣象條件下不同時間點接受的直射輻射光譜情況。利用計算結(jié)果作為入射光源的光譜，分析了聚光光伏系統(tǒng)、光伏-溫差發(fā)電聯(lián)用系統(tǒng)、碟式聚光斯特林發(fā)電系統(tǒng)、光伏-碟式斯特林發(fā)電聯(lián)用系統(tǒng)的發(fā)電效率，隨不同時間點入射輻射光譜變化的改變情況；比較了幾種系統(tǒng)的性能差異，分析了分頻方法可能帶來的系統(tǒng)效