【正文】 。對(duì)聚光器進(jìn)行截?cái)鄡?yōu)化處理之后， CPC 反光板的橫截面如圖 37 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 37 截?cái)嗪蟮?CPC 反光板和真空管 CPC 截面輪廓上的尖頂與真空管之間的間隙是 g= ， r=，則尖頂?shù)秸婵展艿那芯€長(zhǎng) t =，該切線與水平面的夾角 Φ 0=176。這在實(shí)際的制作中帶來極大的方便，而且節(jié)省了材料。由于拋物線末端曲率小，反射作用不大，所以對(duì)完整的 CPC 反光板進(jìn)行截?cái)嗵幚恚梢怨?jié)省反光板材料，而光學(xué)效率并不會(huì)降低很多。如果有了高精低廉的跟蹤裝置相配合，同時(shí)對(duì)目前存在的一些問題進(jìn)行研究解決， 其發(fā)展前景非常廣闊。 通過對(duì)以上三種典型的聚光器的分析對(duì)比可知，對(duì)于太陽(yáng)能中溫工業(yè)所需要的基本工作溫度來說，三種聚光器的性能相差不多，選擇的關(guān)鍵就是成本問題。目前的菲涅爾聚光器，基本上都采用透明塑料擠壓成型 的加工方法制成，制造方法簡(jiǎn)單，成本非常低。而且就復(fù)合拋物面聚光器本身來說，其結(jié)構(gòu)及其制造工藝與拋物面反射鏡聚光器基本相同，使用過程中也存在反射層易脫落、隨時(shí)間推移性能明顯下降的問題。而且它在使用過程中還存在著反射層易脫落、隨時(shí)間推移性能明顯下降的問題。 表 31常見太陽(yáng)能聚光器的性能參數(shù)比較 常用太陽(yáng)能聚光器的經(jīng)濟(jì)性： 拋物面反射鏡聚光器加工工藝復(fù)雜，加工誤差較高，制造費(fèi)用高。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 聚光器的選擇和開發(fā) 聚光器的選擇 影響太陽(yáng)能聚光器設(shè)計(jì)的有如下幾個(gè)方面： 1)制造成本以及使用方便性 2)工作溫度及性能 3)使用壽命及維修性 在已有的理論知識(shí)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)聚光器時(shí)，首先要根據(jù)以上因素選擇聚光器的類型。因?yàn)閷?shí)際的鋸齒是有寬度的，所以陽(yáng)光透過鋸齒折射之后并不是會(huì)聚在一點(diǎn)，而是一個(gè)焦斑區(qū)域。 當(dāng)材料和焦距確定之后，就可以根據(jù) 39 式計(jì)算離開主光軸不同距離處每一個(gè)鋸齒棱的棱角Φ。陽(yáng)光從平面一側(cè)透射到另一側(cè)，經(jīng)過鋸齒棱角折射，會(huì)聚到一個(gè)小的區(qū)域范圍內(nèi)，其光學(xué)原理如圖 36所示。 折射式菲涅爾聚光器 菲涅爾聚光器是一種使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面為平面，另一面為按照一定寬度和角度設(shè)計(jì)的鋸齒棱角，如圖 35 所示，它可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)聚焦式（圓盤鏡），也可以設(shè)計(jì)成線聚焦式（長(zhǎng)條鏡）。 根據(jù)已知理論，理想的二維 CPC 的聚光比為： max1sinBC d ??? （ 38） 根據(jù) 38 式知， CPC 的聚光比完全由 θ max 決定，要得到大的聚光比， θ max 就必須減小，但理論及實(shí)驗(yàn)均證明 θ max 減小會(huì)導(dǎo)致一年之中調(diào)整 CPC 的次數(shù)增加。也就是說，如果拋物鏡是理想的，投射在 CPC 開口上的在 177。 圖 34 復(fù)合拋物面聚光器的光路分析圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 如圖 34，已知拋物線 U 和拋物線 V 是軸對(duì)稱的，且拋物線 U 的焦點(diǎn) fU 在拋物線 V上，根據(jù)對(duì)稱性原理拋物線 V 的焦點(diǎn) fV也在拋物線 U 上；拋物線的主光軸與 CPC 中軸的夾角為 θmax。 要分析 CPC 復(fù)合聚光器的性能，我們引入這樣一個(gè)常量 — θmax 入射光最大張角。復(fù)合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設(shè)在底部的接收器構(gòu)成。所以拋物面反射鏡聚光器需要附加跟蹤裝置工作。其它形狀的接收器，可以根據(jù)相同的原理進(jìn)行分析 [8]。可以將35 式理解為接收器的直徑（越小損失越?。┲辽僖扔谟疫吅瘮?shù)的最大值。 ； R 為拋物面上任何一點(diǎn)到接收器中心的距離，根據(jù)拋物而的方程2 4sincosy fxyRx f R??? ????? ???求解得到： 21 cosfR ?? ? （ 34） 4 sin1 cosfd ??? ? （ 35） θ— 位置角，即任意一點(diǎn)的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 33槽形拋物面反射鏡局部光路分析圖 由 32 式可知，接收器的直徑的大小是由聚光比決定的。圖 32 為典型的槽形拋物面反射鏡的光路圖。在槽形拋物面反射鏡中，接收器通常為圓管；聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板、也可以是空 腔球體。 圖 31 聚光比與聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度的關(guān)系 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 典型聚光器的性能分析 拋物面反射鏡的聚光性能 理論和實(shí)驗(yàn)都已證明拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會(huì)聚于焦點(diǎn)的鏡面。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，聚光比越高，聚光器的成本相對(duì)也就越貴。具體公式如下 [7]： AC A??吸 （ 31） 聚光比影響著聚光器的工作溫度及其成本。 聚光比 聚光器的聚光比，是反映聚光器聚光性能的一個(gè)重要參數(shù)，在研究聚光器之前，首先要介紹一下太陽(yáng)能聚光器的聚光比。雖然太陽(yáng)光經(jīng)過會(huì)聚之后會(huì)造成一定的光學(xué)損失，流失一部分能量（相對(duì)較少），但實(shí)驗(yàn)表明在一定程度的光線會(huì)聚之后，工作溫度有一定程度的提高。 圖 27 不同溫度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能聚光器的工作原理：利用光學(xué)系統(tǒng)（反射或折射器）使較大面積的入射光聚集在較小面積上，提高單位面積上的入射光強(qiáng)度。由公式 MMPP Sp p????可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加 所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。光強(qiáng)從 2001000W/m2開路電壓變化比較平穩(wěn)。圖 26 是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的光伏電池的特性曲線。 M 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流 IM 為最佳工作電流， VM 為最佳工作電壓， PM 為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅恪? ： MOC SCPFF VI? ? （ 23） ：輸出功率 Po 與陽(yáng)光投射到電池表面上的功率 Ps 之比，其值取決于工作點(diǎn)。 （ VM）：在給定日照和溫度下相應(yīng) 于最大功率點(diǎn)的電壓。 Voc：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。在 PV 特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長(zhǎng)輸出功率先上升然后下降，說明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟 IV 曲線說明了同一個(gè)問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。如圖 24 所示 [6]。在一定的光強(qiáng)的照射下，特性曲線完全由電池的 PN 結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。 光伏電池的輸出特性及其影響因素 光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過 IV 和 PV 特性曲線來加以體現(xiàn)。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖 23 來描述，其伏安特性可由 22 式給出。 e x p 1Lo qVI I I n K T????? ? ????????? (21) 其中 I 為電池單元輸出電流； IL 為 PN 結(jié)電流（ A）； IO 為二極管的反向飽和電流（ A）； V 為外加電壓（ V）； q 是單位電荷 （ 10 19? k 庫(kù)侖）； K 是玻耳茲曼常數(shù)（ 10 23? J/K）； T 是絕對(duì)溫度（ K）； n 為二極管指數(shù) [5]。目前使用的光伏電池可看作 PN 結(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在 PN 結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖 22 表示的等效電路來考慮。 圖 21單個(gè)光伏電池的模型和外觀 光伏電池的物理模型 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。將每個(gè)單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)（ Solar Generator）”。 圖 21 為光 伏電池的單元模型和外觀。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 輸出。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，PN 結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu) 成自 N 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流，在 PN 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流 Isc。例如，當(dāng)光照射到由 P 型和 N 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子 — 電子和空穴。目前大規(guī)模使用的主要是單晶硅和多晶硅電池，因?yàn)槠滟Y源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高（澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到 24%），所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。 運(yùn)行方式。 ，獲得最大功率輸出，對(duì)光伏電池輸出最大功率點(diǎn)的跟蹤方法進(jìn)行簡(jiǎn)單研究。 本課題研究目的及所做的工作 目前太陽(yáng)能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn) 不夠，究其原因，主要是光伏系統(tǒng)發(fā)電的投入成本太高，如何最大限度提高太陽(yáng)能的利用率，降低光伏系統(tǒng)發(fā)電的成本，這仍是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。如果有自動(dòng)跟蹤裝置，也是由同一個(gè)控制器進(jìn)行集中控制，來跟蹤太陽(yáng)位置的變化。在聯(lián)網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)中還要有交流聯(lián)網(wǎng)裝置和電能計(jì)量裝置。光伏電池產(chǎn)生的電流通過 DC/DC 變換裝置可以直接供 給各種直流負(fù)載，同時(shí)為儲(chǔ)能裝置充電。 基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池板、 DC/DC 變換裝置、儲(chǔ)能裝置、電能 輸出變換裝置、控制器五大部分（ 如圖 11） 。要把 20xx 年奧運(yùn)會(huì)辦成最成功的一屆奧運(yùn)會(huì)， 光 伏發(fā)電應(yīng)用必然要擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要的角色，在奧運(yùn)村和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館規(guī)劃中，太陽(yáng)能利用及光伏發(fā)電站的建設(shè)均占主要的地位[4]。另外，中科院電工所先后建成了西藏雙湖 25kW、安多 100kW、班戈 70kW 和尼瑪 40kW 光伏電站的建設(shè)。 20xx 年 11 月，由國(guó)家計(jì)委組織實(shí)施的 “ 西部省份無電鄉(xiāng)通電工程光伏發(fā)電站 （ 含風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站 ） 建設(shè)項(xiàng)目 ” 正式啟動(dòng)，該項(xiàng)目是 “ 中國(guó)光明工程 ” 計(jì)劃的重要組成部分，涉及青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、四川省、陜西省等七省區(qū)。 1996 年，我國(guó)由國(guó)家計(jì)委牽頭制定了實(shí)施 “ 中國(guó)光明工程 ” 的計(jì)劃。但是日照時(shí)間 長(zhǎng)，日射強(qiáng)度大，為光伏發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。 在我國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展、綜合國(guó)力的不斷提高和科技的進(jìn)步，特 別是“西部開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，利用西部地區(qū)豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能資源解決占國(guó)土面積加以上的遼闊地區(qū)幾千萬人口的用電問題這一偉大構(gòu)想己經(jīng)逐步成為現(xiàn)實(shí)。 1999 年世界光 伏電 池總產(chǎn)量為 202MW， 20xx 年增為 375MW，隨著美國(guó) “ 百萬個(gè)太陽(yáng)屋頂計(jì) 劃”、“歐洲可再生能源白皮書”和“日本新陽(yáng)光計(jì)劃”的實(shí)施，到 20xx 年世 界光伏電池容量將達(dá) 20xx0MW。目前，最大的太陽(yáng)能發(fā)電裝置出力已達(dá)到 10MW， 1KW 的太陽(yáng)能發(fā)電裝置每年發(fā)電量為 1670KWh，這意味著在澳大利亞每年可節(jié)省 160 美元的電費(fèi)。最小的太陽(yáng)能成套設(shè)備發(fā)電出力為 150W，包括安裝費(fèi)在內(nèi)的零售價(jià) 是 290 美元，占澳大利亞普通家庭每年耗電量的 5%，每年可減少溫室氣體排放 350kg。 1999 年德國(guó)光伏上網(wǎng) 電價(jià)為每千瓦時(shí) 馬克，極大地刺激了德國(guó)乃至世界的光伏市場(chǎng) ； 印度、馬來 西亞等東南亞國(guó)家，也制定了國(guó)家的光伏發(fā)展計(jì)劃。 光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 上個(gè)世紀(jì)的 70 年代，由于兩次石油危機(jī)的影響，光伏發(fā) 電在發(fā)達(dá)國(guó)家受到 高度重視，發(fā)展較快。 ，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽(yáng)能計(jì)算 器的幾個(gè)毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽(yáng)電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。安裝 1KW 光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放 二氧化碳 600～ 2300kg，一氧化氮 16kg，二氧化硫 9kg 及其他微粒 。 ，維護(hù)簡(jiǎn)單。 ，就近供電，不必長(zhǎng)距離輸送，因而避免了輸電線路等電能 損失。 光伏發(fā)電的特點(diǎn) 太陽(yáng)能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多， 形式比較單一； 而光伏發(fā)電可以把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式 — 電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu) 點(diǎn) [2]： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ，用之不竭，每天照射到地球上的太陽(yáng)能是人類消耗的能 6000 倍。這對(duì)于世界尤其是我國(guó)是十分迫切的。但由于我國(guó)人口眾多，人均能源資源嚴(yán)重不足，而我國(guó)現(xiàn)在所面臨的卻是能源需求量成倍增長(zhǎng)的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。不僅如此，大量使用化石能源已經(jīng)開始造成全球變暖，燃煤會(huì)通過煤渣和煙塵放出大量有化學(xué)毒性的重金屬和放射性物質(zhì)，嚴(yán)重污染了人類的生存環(huán)境 [1]。根據(jù)公認(rèn)的 估算，如果人類對(duì)能源的需求以目前的速度增長(zhǎng)，全世界的石油將在今后 40年間被耗盡，而天然氣和煤也最多分別能維持 60 年和 200 年左右。隨著社會(huì)生產(chǎn)