太陽能聚光光伏系統(tǒng)發(fā)電的研究技術(shù)進展畢業(yè)論文

天津職業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文)題目：太陽能聚光光伏系統(tǒng)發(fā)電的研究技術(shù)進展?學生姓名:學號：專業(yè):班級：指導老師:年月日引言:目前，世界上已經(jīng)商業(yè)化并開始規(guī)?；茝V應用的太陽能發(fā)電技術(shù)的主要有四種,硅基太陽電池(包含單晶硅與多晶硅)、薄膜太陽電池、太陽能聚光光伏發(fā)電（CPＶ）、太陽能聚光光熱發(fā)電（CSP）。四種太陽能發(fā)電技術(shù)各有特點,其中硅基太陽電池是目前光伏發(fā)電的主流,約占世界太陽能光伏發(fā)電總量的80%以上,但晶體硅的提煉與加工成本相對較高,高耗能與環(huán)境污染等問題制約了其后續(xù)的發(fā)展。薄膜型太陽電池雖然轉(zhuǎn)換效率低,但弱光響應相對較好，成本相對硅基太陽電池低而發(fā)展迅速。硅基太陽電池與薄膜型太陽電池適合小規(guī)模電站特別是陽光屋頂與建筑一體化發(fā)電。相對硅基太陽電池和薄膜型太陽電池,聚光光伏與光熱發(fā)電技術(shù)以高效、低成本、環(huán)保等優(yōu)勢在美國、歐洲等國家和地區(qū)發(fā)展迅速，適合在陽光輻照指數(shù)DNI大于１3５0的地區(qū)大規(guī)模與超大規(guī)模太陽能電站發(fā)電,但需要追日跟蹤系統(tǒng)與陽光直射，系統(tǒng)相對復雜。據(jù)美國可再生能源研究所預測，至２0２０年,全球聚光光伏與光熱發(fā)電規(guī)模將達到１20GＷ的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。高效太陽能聚光光伏發(fā)電技術(shù)聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光學系統(tǒng)將太陽能匯聚在太陽能電池芯片上,利用光伏效應把光能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。聚光光伏發(fā)電技術(shù)分為透射式聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)與反射式聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。目前,國際上高效聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的聚光倍率大約在250倍—100０倍,最高的達到了１200倍。聚光倍率的提高是有限度的,隨著聚光倍率的提升，光能利用效率提升與成本降低明顯,但隨之而來的是光學系統(tǒng)難度加大、追日跟蹤精度的提高與散熱問題突出，超過800倍的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)對光學系統(tǒng)模組、追日跟蹤系統(tǒng)及散熱技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。高效太陽能聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢相對硅基太陽電池主要體現(xiàn)在高效、低成本、環(huán)保三個方面:高效：世界上聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)模組的轉(zhuǎn)換效率約在２0％-28%,最高的達到了30％，是目前其它太陽電池發(fā)電技術(shù)難以達到的。低成本：規(guī)?；娬窘ㄔO(shè)高效太陽能聚光光伏系統(tǒng)模組在2０09年有望達到２美元/W以下，約低于硅基太陽電池的2０%；環(huán)保：制造高效聚光太陽電池模組耗費的電能約運行后半年可以收回，且制造環(huán)節(jié)不產(chǎn)生任何污染,運行20-２５年后所有部件可回收再生。目錄1前言２太陽能聚光熱發(fā)電系統(tǒng)２．1太陽能接收器2。２聚光器２.3太陽跟蹤器３太陽能聚光熱發(fā)電系統(tǒng)４太陽能聚光光伏光熱綜合利用5問題與展望５。１聚光太陽能利用的地域局限性５。2聚光光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨５。３聚光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢５。４聚光光熱綜合利用技術(shù)發(fā)展趨勢總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(正文）前言開發(fā)新能源和可再生清潔能源是全世界面臨的共同課題.在新能源中，太陽能發(fā)電倍受矚目．但由于過高的成本。目前還未能充分進入市場。聚光光伏發(fā)電技術(shù)是用比較便宜的聚光器來部分代替昂貴的太陽電池，以減少給定功率所需的電池面積來降低成本,系統(tǒng)中太陽電池的費用只占系統(tǒng)總費用的一小部分，所以可以采用工藝先進、效率更高而價格較貴的電池來提高整個系統(tǒng)的性能。聚光熱發(fā)電技術(shù)是指將太陽光聚集并將其轉(zhuǎn)化為工作流體的高溫熱能，然后通過常規(guī)的熱機或其它發(fā)電技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。太陽能聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能接收器、聚光鏡、太陽跟蹤機構(gòu)組成［1］。２。１太陽能接收器聚光太陽能接收器包括聚光太陽能電池、旁路二極管和散熱系統(tǒng)等。聚光太圖1聚光太陽能接收器陽能電池是將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，與普通的太陽能電池相比,聚光太陽能電池接收到的能流密度是普通太陽能電池的幾十到幾百倍，這就需要聚光電池的電阻盡量小，以減少功率損耗，同時要設(shè)計適合采集高電流密度的電池柵線。目前國際上聚光電池主要有硅聚光電池和ＩＩI-V族多結(jié)聚光電池兩種。硅聚光電池價格便宜,效率稍低，但聚光倍率低，一般不超過30０倍；III-V族多結(jié)聚光電池價格昂貴,效率高，聚光倍率通常在20０倍以上.圖2給出了聚光太陽能電池與普通太陽能電池效率的發(fā)展歷程。和普通太陽能電池一樣,聚光太陽能電池的峰圖2聚光太陽電池與普通太陽電池效率發(fā)展歷程值功率會隨著溫度的升高而降低，而聚光太陽能電池又是在高光強、大電流下工作，一套設(shè)計合理的散熱系統(tǒng)對提高發(fā)電效率，延長使用壽命起到十分重要的作用。散熱系統(tǒng)分主動式冷卻和被動式冷卻。主動式冷卻是指用流動的水或其它工質(zhì)將聚光組件工作時產(chǎn)生的熱量帶走，以達到冷卻太陽電池的目的.被動式冷卻是指太陽電池方陣產(chǎn)生的熱量通過散熱器直接散發(fā)到大氣中。主動式冷卻可以更好地降低太陽電池的溫度．但這種方法存在的問題是可靠性，如果冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題,太陽電池組件可能由于過高的溫度而燒毀。被動式冷卻有較高的可靠性,但散熱效果不理想，電池通常會在較高的溫度下工作。2．２聚光器聚光器依光學原理可分為折射聚光器和反射聚光器。在聚光光伏技術(shù)中，折射透鏡主要使用菲涅耳透鏡，這種透鏡具有質(zhì)量輕、厚度薄的特點.使用點聚焦菲涅耳透鏡的聚光系統(tǒng)，聚光倍數(shù)通常在５0０倍以上，使用高效多結(jié)砷化鎵電池，組件效率可達到25％以上。圖3使用折射聚光器的光伏發(fā)電系統(tǒng)反射聚光器主要是鏡面反光板,根據(jù)聚光倍數(shù)的不同制作成長條狀或圓盤狀。隨著聚光倍數(shù)的提高，各類新型聚光系統(tǒng)不斷推出，這類聚光系統(tǒng)通常在聚光器下增加一個二次聚光器,以達到使射入電池表面光譜更均勻、減少光損失、縮減聚光器到電池距離等目的。圖4帶有二次聚光器的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)2。３太陽跟蹤器由于聚光光伏組件需要直射光才能發(fā)電，因此必須安裝在太陽跟蹤機構(gòu)上。通常來說，點聚焦的聚光組件需要二維跟蹤機構(gòu)，線聚焦組件只需要一維跟蹤機構(gòu)。目前跟蹤太陽的方法主要有以下幾種：利用四象限光敏傳感器判斷太陽的位置.這種跟蹤方式精度很高，并且是閉環(huán)控制，能自我修正,聚光太陽能應用中通常都需要使用光敏傳感器。根據(jù)跟蹤機構(gòu)所在地的經(jīng)緯度計算太陽的位置。這種技術(shù)也可配合GPS全球定位來獲得更精確的位置和時間信息。根據(jù)預置的太陽位置數(shù)據(jù)庫或移動軌跡來跟蹤太陽。這種跟蹤方式比較死板，換個地點就要更新數(shù)據(jù)庫,跟蹤精度也比較低.對電池陣的輸出功率進行監(jiān)測,使電池陣的輸出功率保持最大。目前，用于聚光系統(tǒng)的跟蹤機構(gòu)都采取幾種不同的跟蹤方法確保跟蹤精度和可靠性。跟蹤機構(gòu)還需要大風自我保護功能和防暴雪功能來確保組件的安全.而跟蹤器傳動機構(gòu)的設(shè)計則決定了跟蹤器的壽命。對于二維跟蹤機構(gòu),其跟蹤精度基本要求在±0．5度。太陽能聚光熱發(fā)電系統(tǒng)太陽能熱發(fā)電技術(shù)主要有槽式、碟式和塔式三種［2］.塔式太陽能熱發(fā)電主要由定日鏡系統(tǒng)、吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)三部分組成。定日鏡系統(tǒng)實現(xiàn)對太陽的實時跟蹤,并將太陽光反射到吸熱器。位于高塔上的吸熱器吸收由定日鏡系統(tǒng)反射來的高熱流密度輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為工作流體的高溫熱能.高溫工作流體通過管道傳遞到位于地面的蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生高壓過熱蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電。典型的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以實現(xiàn)２00—1０00倍以上的聚光比，投射到塔頂吸熱器的平均熱流密度可達３00—10００ｋW／m2，工作溫度可高達１000℃圖5a美國ＳolａrＴwo1０MW塔式太陽能電站圖５bSolａrTwo工作原理圖槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光反射鏡從幾何上看是將拋物線平移而形成的槽式拋物線，它將太陽光聚集在一條線上[3，4］。在這條焦線上安裝有管狀集熱器，以吸收聚集后的太陽輻射能。槽式聚光器只需要一維跟蹤,聚光比為１0－10０之間，一般在５0左右，溫度可達４０0℃槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等特點,是目前唯一實現(xiàn)了商業(yè)化運營的太陽能熱發(fā)電技術(shù)。美國魯茲（ＬUZ）公司是槽式發(fā)電技術(shù)應用的先行者，1９8５—1991年間，該公司在美國南加州先后建成9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機容量353.８MW，是世界上規(guī)模最大、成效最高的太陽能熱發(fā)電工程。圖6為其80MW的ＳEＧSＶＩII電站，該電站的循環(huán)效率為３8.４%，峰值太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為２4％，電站的初始投資為2。６5$／W，發(fā)電成本為０．０8＄/kWh。圖6ａSEＧSVIII電站的聚光集熱設(shè)備圖6ｂSEGSVIＩI電站的工作原理圖碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般由旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、吸熱器、跟蹤裝置以及熱功轉(zhuǎn)化裝置等組成。碟式反射鏡可以使一整塊拋物面,也可由聚焦于同一點的多塊反射鏡組成。其聚焦比可高達５0０-10０0之間,焦點處可產(chǎn)生１０00℃圖7碟式太陽能熱發(fā)電站太陽能聚光光伏光熱綜合利用由于太陽能光伏利用的效率比較低，未利用的太陽能都轉(zhuǎn)化成了熱能導致太陽電池溫度升高,效率降低。因此科研人員一直想將剩余的熱能加以利用，開發(fā)了一些ＰVT系統(tǒng)，但都沒有獲得太好的效果。但聚光型光伏光熱綜合利用讓人們看到了新的希望.因為這兩種發(fā)電技術(shù)都有聚光鏡、接收器和太陽跟蹤器等部件,在結(jié)構(gòu)形式上比較容易整合在一起。圖8給出的是瑞典Aｂsｏlicon公司的聚光型電熱聯(lián)用設(shè)備［５]，使用了槽式聚光模式，聚光倍數(shù)為１0倍,向用戶提供由光伏電池發(fā)出的電，和由真空集熱管提供的熱水。該產(chǎn)品在住宅小區(qū)、私人別墅和公共設(shè)施都有應用案例。圖8槽式太陽能電熱聯(lián)用設(shè)備另一種廣泛討論的是采用碟式發(fā)電模式，接收器前端是聚光電池，聚光電池上的熱量通過熱管傳導到斯特林發(fā)電機，實現(xiàn)光伏、光熱一體化發(fā)電。該模式由于有很高的聚光倍數(shù)（5０0－1000)，所以可以把制造成本降低，但在技術(shù)上還有很多難關(guān)需要突破。問題與展望聚光太陽能利用的地域局限性由于聚光鏡一般只能聚集垂直入射的光線,所以在考慮應用聚光太陽能設(shè)備的時候，當?shù)氐闹鄙涮柟廨椪樟?ＤｉrｅctNormalＩrｒadiaｔｉｏn)是一個重要的指標。通常年直射輻照量在2000kＷh/m２以上適合使用聚光太陽能發(fā)電設(shè)備.從圖９中可以看到，這些地區(qū)主要是在我國的西藏、新疆和內(nèi)蒙古，美國的西南部，澳大利亞，印度,西班牙，西亞和非洲.圖9全球直射太陽光年輻照量聚光光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢聚光光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了3０多年，近些年來逐漸成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點,但在走向產(chǎn)業(yè)化的過程中還有諸多困難要解決。例如,目前研究聚光光伏技術(shù)的企業(yè)很多，但各家的組件模式都不盡相同，孰優(yōu)孰劣還有待考察,可以說當聚光組件設(shè)計趨同的時候，就是其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之時。在器件技術(shù)方面，有以下一些發(fā)展目標:多結(jié)電池效率達到４0％～45％，聚光倍數(shù)500～10０0倍，電池成本低于0.2美元／W硅聚光電池效率超過２8%高效率（＞9０%）低成本（＜０.3美元／W)的聚光光學系統(tǒng)1００００倍的聚光光學系統(tǒng)組件效率超過30％，完全自動化生產(chǎn)，成本低于０．８美元／W高可靠性跟蹤機構(gòu)成本低于10０美元／ｍ2，逆變器成本低于０。3美元／Ｗ聚光系統(tǒng)的總成本低于2美元／Ｗ。聚光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚光比高,易于實現(xiàn)較高的工作溫度,系統(tǒng)容量大、效率高。塔式熔鹽熔點高,系統(tǒng)需要夜間保溫，電站寄生電耗高.此外，高溫熔鹽具有腐蝕性,易揮發(fā)，系統(tǒng)技術(shù)難度較大.相關(guān)部件如熔鹽吸熱器、高溫熔鹽泵、閥等仍有待進一步研究。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)較為成熟,可實現(xiàn)較大規(guī)模的熱發(fā)電系統(tǒng)。但聚光比小，系統(tǒng)工作溫度較低。其核心部件真空集熱管在運行中易出現(xiàn)真空度降低,吸收管表面選擇性涂層性能下降等問題.目前，研發(fā)可靠、耐久、高效的真空吸熱管是推廣槽式發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)成本在120０—２000美元/kW時才會產(chǎn)生巨大市場，要想實現(xiàn)這個目標，必須在做到以下幾方面：擴大生產(chǎn)規(guī)模;在接收器上使用熱管技術(shù)；提高斯特林發(fā)電機的效率;增大單機容量.聚光光熱綜合利用技術(shù)發(fā)展趨勢2０06年歐盟委員會頒布