光学仿真和实验验证的菲涅耳太阳能集中器与一个新的混合第二光学元件

文摘

菲涅耳太阳能集中器是最常见的一种太阳能集中器在太阳能应用。高菲涅耳集中PV或PV / T系统,第二光学元件的关键组件(SOE)是更广泛的偏转角度的光学效率高,这是很重要的附加系统克服不可避免的错误,菲涅耳透镜加工和安装技术,等等。在本文中,一个新的混合SOE旨在满足菲涅耳太阳能集中器与1090 x的集中度。射线跟踪技术是用来表明光学性质。仿真结果表明菲涅耳太阳能集中器与新混合国有企业有一个更广泛的偏转角范围光学效率高。此外,流量分布与不同偏差角度也进行了分析。此外,实验的菲涅耳太阳能集中器与混合国企在户外条件下进行。电和热输出的验证都做了全面分析光学效率。产生的光学效率实验发现一致的模拟。

1。介绍

现在菲涅耳太阳能集中器是最常见的一种太阳能集中器在太阳能应用中由于其优良的光学性质。抛物面碟相比,菲涅耳太阳能集中器有一个方便的安装PV和光伏也没有阴影。Kerzmann和奇科夫1模拟一个线性聚光光伏系统和一个有效的冷却系统。Chemisana et al。2)进行了实验调查Fresnel-transmission PVT集中器的建筑物立面一体化。Ryu et al。3)提出了一个新的配置的太阳能利用到模块化浓度光学面菲涅耳透镜实现统一强度吸收器平面上的温和的集中度。吴et al。4)进行了大量的室内实验描述计划调查热损失从菲涅耳透镜焦点PV集中器与100 x的集中度。侯赛因和李5)进行了参数研究菲涅耳太阳能聚光光伏热电联产系统的附加热能储罐。

然而,对于高浓度菲涅耳太阳能集中器,第二光学元件(SOE)通常需要在实际应用中,因为许多不可避免的错误。首先,菲涅耳太阳能集中器加工精度的限制,从而导致许多紫外线逃避从吸收器。其次,通常sun-tracking系统提出了某些错误,这不同于理想的设计。第三,阳光是全程光谱的光,它很容易生成菲涅耳透镜的色散现象。国有企业可以增加验收角度和接受更多的阳光减少局部畸变。此外,国有企业通常可以增加整个光学系统的集中度和同质化光伏电池上的流量分布。在研究过程中流量分布特性和频谱在聚光光伏系统,维多利亚et al。6)发现,添加一个国企的菲涅耳透镜可以显著减少系统的不均匀性并提高了性能。

目前,常见的国有企业有两种类型,反光国企和固体透镜的国企,这依赖于镜面反射功能和透镜折射和全内反射功能,分别。Renzi et al。7]分析了两个3.5成为朝鲜劳动党CPV系统的性能与几何476 x和反思国有企业的集中度。李和林(8)提出了一个高效的集中与抛物型二次光学元件光学模块。贝尼特斯et al。9)开发了一种Kohler-based CPV与平坦的菲涅耳透镜光学器件作为主要光学元件(坡)和一个折射面作为国有企业。Terao et al。10)提出了一种新颖的非成象光学设计的平板聚光光伏电力系统非球面和全内反射的国企。贝格et al。11]分析了边缘特性的全内反射SOE菲涅耳太阳能聚光光伏系统。

本文基于菲涅耳太阳能集中器1090 x,混合SOE旨在提高光学性能。光学软件Lighttools采用模拟光学特性在不同偏差角度。光学效率和流量分布都是展示的性能分析。此外,实验的菲涅耳太阳能集中器与混合国企在户外条件下进行。电和热输出的验证都做了全面分析光学效率。实验结果表明,光学效率以及协议的仿真。

2。结构

菲涅耳太阳能集中器由一系列的棱镜。根据折射定律,棱镜的曲线可以很容易获得。黄等。12]介绍了CPV的菲涅耳透镜的设计。n Yeh和p .叶(13]分析了工作都集中,非成象菲涅耳透镜浓度剖面,建立了详细的参数。曲线平坦的菲涅耳棱镜的太阳能集中器可以很容易地获得,如图1。

基于几何原理,参数可以获得以下值:

根据折射定律,

Combiningg (1)和(3),

根据勾股定理,

替代(2)和(5)(4):

从(6),棱镜的曲线可以计算。

对于第二个光学元件,有许多不同的设计。镜面反射的国企和全内反射的国企是常见的应用程序(7,14,15]。摘要混合国企是专为菲涅耳太阳能集中器,由反光元素和固态透镜。反光元素和坚实的镜头元素的横截面都是对称梯形(图2)和固体镜头元素位于内底的反光元素。水冷却系统是用来从PV带走热量。不同部分的尺寸如表所示1。

3所示。文中分析

由出口集中系统模型Solidworks在光学软件IGES格式Lighttools被用来模拟光路。内反射表面被定义为铝和其反射率为92%。光被定义为0.53°收敛角并不像阳光下的平行光束的会聚角是4.7 mrad。图3显示了射线跟踪的原理图的偏转角0°。偏转角度入射紫外线的方向之间的角度和垂直于太阳能集中器的孔径。首先,阳光将集中由平坦的菲涅耳透镜。其次,许多可以反射阳光射线反射元素进入固体镜头元素;然后我们研究的顶部表面光伏通过透镜的折射和全内反射功能元素。其他阳光射线可以直接通过镜头元素达到光伏的顶面。

3.1。光学效率

一万个直接太阳光线在菲涅耳太阳能集中器在不同的偏转角度跟踪。光学效率可以得到如下: 在哪里由吸收器和接收到的辐射是总辐射光源。

通过软件仿真,光学效率可以达到(图4)。可以看出,偏转角度的光学效率高于90.0%小于0.5°。光学效率的曲线显示了一个下降趋势与偏转角的增加和偏转角大于0.5°时,光学效率不能维持一个高价值。然而,当0.6°,0.7°之间的偏转角度,光效率仍在85.0%和90.0%之间。

3.2。流量分布

仿真执行的标准太阳能辐照下1000 W / m²光谱波长是在300到1800纳米之间。从图可以看出5偏转角度为0°时,下面的最高流量分布W / m²和光伏的中心位置。大约80%的光伏拥有10个以上的通量密度⁶W / m²。因此,通量在光伏这个偏转角有一个相对均匀分布。

当偏转角度0.1°,0.2°,左边的高通量都是部分的PV顶面。与偏转角度的增加,通量最高进一步向左移动位置(图6)。

图7显示之间的流量分布在一个较大的偏转角范围0.3°和0.6°。流量分布的趋势表明,左部的通量高于在正确的部分。实际上,这偏转角范围大于的错误跟踪系统(0.3°),但是考虑到加工和安装的错误,等等,实际流量分布比仿真可能更复杂。因此,高的光学系统需要更大的偏转角范围(> 0.3°)。从模拟、流量分布的基本数量级可能会发现,这将给的参考评估实际的系统操作。

4所示。实验验证

4.1。实验设置

菲涅耳太阳能集中器与高效集成InGaP /砷化镓/通用电气了三结太阳电池,其电效率是31.4% (AM1.5D, 25°C)在一个太阳。菲涅耳太阳能光伏模块集中由15 PV / T组件和15 point-focus菲涅耳透镜与混合SOE如图8(一个)。一个15 point-focus菲涅耳透镜这个实验测试。每个菲涅耳透镜的面积毫米²,每个太阳能电池的大小毫米²,这是符合的模拟。太阳能电池是粘贴在底部固体表面镜头元素,如图8 (b)。采用双轴跟踪系统。两个光传感器安装在倾斜轴的位置反馈太阳跟踪控制系统;因此,维护的角度偏转的菲涅耳太阳能集中器范围内0.3°。在测试系统中,衣架式热电偶的温度测量。直接辐射是衡量一个正常的发病率日射强度计。逆变器是用来测量和记录电力输出。测试设备的组件如表所示2。

4.2。误差分析

根据误差传播理论,相对误差(RE)的因变量可以计算如下: 在哪里因变量的变量吗。的误差传递系数是变量。

实验相对平均误差(RME)可以表示为在测试期间 根据(8)~ (9),所有变量的rm(温度、太阳辐射、光伏效率和热效率)都是计算结果表中给出3。

4.3。实验分析

4.3.1。验证基于电输出

实验是在一个阳光明媚的一天。水把热量从PV收获的热能。环境参数和测试结果见表4。

太阳能聚光光伏,填充因子(FF)滴略集中条件下由于不均匀流量分布(16- - - - - -18]。

FF可以获得的 在哪里最大输出功率;短路电流;和开路电压。

变化范围的FF 25°C和50°C之间在0.828和0.844之间,如图9。因此,可以得出结论:流量分布在PV相对统一在系统操作。也可以推断的菲涅耳太阳能光伏集中混合SOE适用当前跟踪系统,安装、加工技术。

系统,电效率可以表示为 在哪里系统电气效率;是光学效率;和是太阳能电池的电效率。

光伏效率在不同操作温度下可以表示为(19] 在哪里是太阳能电池效率的引用参考操作温度;K;K⁻¹;和温度是实际的电视。

系统的电效率也可以达到

电效率在不同的PV温度如图10。随着光伏的增加温度,电效率有下降的趋势。但电效率仍然高于27.5%,这表明菲涅耳太阳能集中器电效率很高。

结合(11)和(13),这么高的光学效率太阳能集中器可以获得表达(14),光学效率曲线如图11。

产生的光学效率实验在90.7%和92.3%之间,这是接近的模拟值。因此,菲涅耳的设计太阳能集中器与混合国企是合理的和整个光学系统的光学效率高的高集中PV / T的应用程序。

4.3.2。验证基于热输出

为了进一步说明了光学效率、热效率也可以分析。三十菲涅耳太阳能集中PV / T连接和水之间流传的一系列太阳能集中器和储罐的体积70 L。

热效率在任何给定的时间可以计算如下: 在哪里平均水温在坦克。

热效率也可以表达的

一系列的实验数据的系统热力学效率是安装在一个线性函数对应的变量之间的相互关系,如图12。

热效率方程如下:

热效率拦截约为0.6。结合电效率约为0.3,整体效率高于0.9。在这种情况下,水的温度等于环境温度;因此系统的热损失更少。因此,光学损失是最大的亏损,低于0.1。从这个角度来看,光学效率略高于90.0%,这也验证了热性能。

5。结论

介绍了菲涅耳太阳能集中器的光学性能与一个新的混合的国企,包括反光元素和坚实的镜头元素。

射线追踪是受雇于光学特性仿真。仿真结果表明,该光学效率都高于90.0%的偏转角度内0°-0.5°,和0.6°,0.7°的偏转角度,光学效率仍在85.0%以上。同时,流量分布在不同的偏转角度也证明和分析。

也进行了初步实验验证仿真结果。基于输出,填充因子,系统电效率、热效率都进行了分析,表明菲涅耳太阳能集中与新混合光伏国企高输出性能。通过计算,光学效率也达到,而且操作期间仍大于90.0%,与同意的模拟。

因此,国企对菲涅耳太阳能集中器的设计是合理的,和高太阳能集中系统可以克服的错误处理,分期付款,跟踪系统等实际应用的高输出性能。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由美国国家科学基金会赞助的中国(批准号。51408578、51605464和51611130195)和安徽省自然科学基金(1508085 qe96)。作者要感谢郑教授红飞(北京理工大学机械工程学院,中国)为他的援助在软件仿真。

引用

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