高光斑度聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

高光斑度聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究

提高系統(tǒng)的輸出性能目前，適用于太陽能聚光照明系統(tǒng)的聚光器主要有兩種類型：菲涅耳式和反射式。由于許多因素的影響，菲涅耳透鏡和吸收表面的反射鏡是不均勻的，并且在聚光光過程中的光斑是不均勻的。電池表面的溫度平衡，電池矩陣的電阻平均水平，這降低了電池的輸出性能。聚焦倍數(shù)越大，這種影響越明顯。因此需要在聚光光伏系統(tǒng)中增加第二級聚光器以提高系統(tǒng)的性能。已有研究表明,二級聚光系統(tǒng)的效率要高于單級聚光系統(tǒng),尤其是在直射輻照強度較小時,二級聚光系統(tǒng)的效率要明顯大于單級聚光系統(tǒng)。利用搭建的碟式太陽能二級聚光光伏系統(tǒng)研究高倍聚光條件下三結(jié)砷化鎵電池的輸出特性和影響因素,為進一步開發(fā)該類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)提供參考。1實驗系統(tǒng)和測量設備1.1光電轉(zhuǎn)換裝置上海理工大學動力二館樓頂搭建的碟式太陽能聚光光伏系統(tǒng)如圖1所示,包括太陽追蹤器、太陽能電池組件、傳動機構(gòu)、聚光器和支架,其中旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器、跟蹤控制系統(tǒng)和太陽電池組件是碟式太陽能聚光光伏系統(tǒng)中最重要的組成部分。光電轉(zhuǎn)換裝置包括聚光太陽電池組件、散熱器等。采用的光伏電池為三結(jié)聚光GaInP/GalnAs/Ge疊層光伏電池,如圖2所示,這種光伏電池具有光吸收系數(shù)大、抗輻射性能好、溫度系數(shù)小、光電轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)點。電池芯片面積為10mm×10mm,電池底板為高導熱材料,在電池的下方有正負電極,用于連接相關的電參數(shù)測量設備,在正負電極之間是旁路二極管,作用是防止太陽能電池在強光下由于遮擋導致光照的不均勻而造成的熱斑效應,避免光伏電池因嚴重發(fā)熱而受損。1.2光伏系統(tǒng)測量碟式太陽能聚光光伏系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)如圖3所示。光伏系統(tǒng)溫度包括光伏電池溫度、翅片式熱管散熱器溫度,利用T型熱電偶測量,由Agilent34970數(shù)據(jù)采集儀自動記錄;光伏系統(tǒng)電參數(shù)包括開路電壓Voc、短路電流Isc、峰值功率Pmp和轉(zhuǎn)換效率η,由I-V記錄儀自動記錄;氣象參數(shù)包括當?shù)仫L速、溫度、相對濕度、太陽總輻射強度Et、太陽直射輻射強度Ed,由一臺氣象參數(shù)記錄儀自動記錄。上述所有數(shù)據(jù)均在電腦上由程序自行進行記錄。2二聚光器結(jié)構(gòu)2.1光伏電池的運行特性聚光比越大,所獲得的太陽能光照強度越高,發(fā)電功率相等的情況下,節(jié)省電池板越多。三結(jié)聚光GaInP/GalnAs/Ge疊層光伏電池具有很好的高溫特性,其聚光倍數(shù)可達1000倍以上。為了便于計算聚光比,作出假設:(1)聚光后形成的光斑均勻;(2)光斑的位置可按照旋轉(zhuǎn)拋物面的幾何公式進行計算。結(jié)合上述假設,定義聚光比為:C=Iscx/Isc(1)式中:Iscx—經(jīng)聚光后光伏電池的短路電流;Isc—未經(jīng)聚光時,即1倍太陽光下電池的短路電流。2.2結(jié)砷化光伏電池板二級聚光器結(jié)構(gòu)如圖4所示,采用精密注塑成型,采用真空直流濺射鍍膜技術在其內(nèi)壁鍍上一層反射膜,反射率可達到90%。二級聚光器為口部直徑大、底部直徑小的圓筒狀形構(gòu)件,三結(jié)砷化鎵光伏電池板安裝在二級聚光器的小直徑底部端口處,太陽光經(jīng)過二級聚光器的旋轉(zhuǎn)曲面反射后可照射到底部的三結(jié)砷化鎵光伏電池板上,三結(jié)砷化鎵光伏電池板通過導熱膠直接粘貼在散熱板上,提高電池板的散熱效果。太陽能電池組件受光面朝下,避免了污染物落到組件表面而產(chǎn)生的“熱斑效應”,同時,可防止風沙、冰雹、雨水等對圓筒曲面內(nèi)壁反射膜和三結(jié)砷化鎵光伏電池板的破壞,延長了第二級聚光器的壽命并提高電池的使用壽命。3結(jié)砷化光伏電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率圖5~圖8為2010年12月22日碟式太陽能二級聚光光伏系統(tǒng)的實驗結(jié)果,并在相同幾何聚光比條件下與單級聚光系統(tǒng)的實驗結(jié)果進行了比較。三結(jié)聚光GaInP/GalnAs/Ge疊層光伏電池的開路電壓隨太陽直接輻射強度的變化如圖5所示。隨著直射輻照強度的增大,電池的開路電壓逐步降低,在相同直射輻照強度下,二級聚光系統(tǒng)光伏電池的開路電壓要大于單級聚光系統(tǒng)時的開路電壓:當直射輻射強度為107W/m2時,有第二級聚光器時電池的開路電壓為2.8429V,而單級聚光時電池的開路電壓為2.80226V,兩者相差0.04V;當直射輻照強度增大到568W/m2時,有第二級聚光器時電池的開路電壓為2.76235V,而單級聚光時電池的開路電壓為2.7572V,兩者相差0.00515V。這主要是因為,隨著直射輻照強度的增大,光子通量密度變大,俄歇復合過程加強,成為主要的復合過程,且電池的溫度隨著直射輻照強度的增大而有所上升,從而導致開路電壓的逐漸變小。與電池開路電壓的變化相反,三結(jié)砷化鎵光伏電池的短路電流隨著直射輻照強度的增加而變大,在相同直射輻照強度下,二級聚光時砷化鎵電池的短路電流與單級聚光時的短路電流基本相同,如圖6所示。當直射輻照強度為107W/m2時,有第二級聚光器時電池的短路電流為0.156A,而無均光器時電池的短路電流為0.122A,兩者相差0.034A;當直射輻照強度增大到568W/m2時,有第二級聚光器時電池的短路電流為1.487A,而單級聚光時電池的短路電流為1.492A,兩者相差0.005A。這主要是因為,光伏電池的短路電流會隨著光子通量密度的增大而提高,因而電池的短路電流會隨著直射輻照強度的增加而變大,在聚光比相同的情況下,即光子通量密度也相同,因此兩者的短路電流也基本相同。與電池開路電壓的變化相同,隨著直射輻照強度的增加,三結(jié)砷化鎵光伏電池的峰值功率逐步變大,在相同直射輻照強度下,二級聚光時砷化鎵電池的峰值功率要大于單級聚光時的峰值功率,如圖7所示。當直射輻照強度為107W/m2時,有第二級聚光器時電池的峰值功率為0.429W,而單級聚光時電池的峰值功率為0.285W,兩者相差0.144W;當直射輻照強度增大到568W/m2時,有第二級聚光器時電池的峰值功率為1.872W,而單級聚光時電池的峰值功率為1.532W,兩者相差0.34W。這主要是因為,電池短路電流的增幅要大于開路電壓的降幅,從而使得電池峰值功率的提升。直射輻照強度對三結(jié)砷化鎵聚光型光伏電池的轉(zhuǎn)換效率的影響如圖8所示。與電池的開路電壓變化相同,隨著直射輻照強度的增大,砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率逐步變大,在相同直射輻照強度下,有第二級聚光器砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率更高:當直射輻照強度為107W/m2時,有第二級聚光器時電池的轉(zhuǎn)換效率為24.761%,而單級聚光時電池的轉(zhuǎn)換效率為21.116%,兩者相差3.645%;當直射輻照強度增大到568W/m2時,有第二級聚光器時電池的轉(zhuǎn)換效率為34.086%,而單級聚光時電池的轉(zhuǎn)換效率為31.959%,兩者相差2.127%。4兩級聚光器使用后的光伏系統(tǒng)設計并搭建了一種碟式高倍二級聚光光伏發(fā)電系統(tǒng),分析了直射輻射強度以及第二級聚光器對三結(jié)聚光GaInP/GalnAs/Ge疊層光伏電池在聚光比為150X下輸出特性的影響,研究表明:(1)與單級聚光光伏系統(tǒng)相比,在使用第二級聚光器時,光伏電池的開路電壓和峰值功率均有所增加,但增加幅度隨著直射輻照強度的升高而減小。當直射輻照強度為107W/m2,開路電壓為2.8429V,峰值功率為0.429W,較單級聚光光伏系統(tǒng)分別增加了0.04V和0.144W;當直射輻照強度為568W