基于平面镜反射聚光光伏系统的研究

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1、摘要由于太阳能能量密度低、随机性大的特点，现有的光伏发电系统中光伏电池的发电潜力大多未得到充分发挥，导致投资大，发电成本高，资金回收周期长等缺点，这些缺点与光伏器件生产过程中的高能耗和高污染一起为人所诟病，一定程度上影响了光伏发电系统广泛应用。本文试图通过平面镜聚光的手段来成倍地提高以晶硅电池为代表的光伏器件的发电能力，从而降低相同功率光伏系统的成本，拓宽光伏发电技术应用的途径。论文工作的主要研究内容和创新点有：1．对光伏发电的物理与技术基础，日地之间的几何学，以及不同的聚光方法进行了综合研究和分析。基于球面几

2、何学和矢量代数方法对太阳几何学的研究演绎了一系列重要的基本公式，解决了面向跟踪和聚光的基于太阳时角的时钟法、日出日落时刻、日照时间以及大气质量等问题；对基于成像光学和非成像光学的聚光理论和技术进行了归纳和分析；上述工作为基于平面镜反射的聚光系统研究提供了必要的理论与技术基础。2．提出了一个由太阳电池组件(电池板)和多个独立平面镜组成的仿抛物面聚光系统，对该系统中各组成单元的位置和位姿的运动规律、优化运行与协调控制策略进行了探讨。3．提出了一个电池板与多面平面镜沿经线排列的聚光光伏系统方案。该系统中必须解决的一个

3、关键问题是电池板表面的均匀辐照度问题，为此在该方案的展开中，依据太阳几何学、几何光学和投影几何学原理，对平面镜几何尺寸优化、电池板一平面镜布局、二轴伺服系统的运动控制以及网络化分级控制系统等方面进行了深入研究和具体设计。在电池板的倾角、多平面镜的位置配置、多平面镜的最小尺寸、伺服系统的低能耗运行方式等一些优化设计问题上得到了相应的结论。4．提出一种基于二次反射的聚光结构。通过二次反射定理及其矢量形式的推导得到该二次反射聚光结构的参数优化设计。在此二次反射聚光结构的基础上通过对称与旋转，提出了旋翼型和双圆锥面二次

4、反射聚光结构，可望形成新型聚光光伏器件。论文在最后对上述研究工作进行了总结。关键词：光伏系统，跟踪与聚光，多平面镜反射，协调控制，二次反射，网络控制系统ABSTRACTDuetothesolarenergy’Spropertiesofrandomnessandlowenergydensity,thepotentialofPVcellsinmostofinstalledPVsystemsisnotfullyutilized，resultingdrawbackssuchaSexpensiveinstallation

5、，hi．ghcOStofgeneratedelectricity,longtermtorepaytheinvestment,etc．ThosedrawbacksarecriticizedinconnectiontothehighenergyconsumingandenvironmentpolutioninthePVcellmanufacturingprocedureandindeedaffectthewideacceptanceofPVpowergeneratingsystems．Thedissertation

6、isanattempttomultiplythepowergeneratingcapacityofsamePVcellsbymirror-basedsolarconcentration，aimingatthereductiontheinstallationbudgetandthewideningroadtotheapplicationofPVpowergeneratingsystem．Themaintasksofthedissertationworkandassociatedcontributionsareas

7、following：Asyntheticalstudyandanalysisisdoneontheph)rsicsandtechnologybasicsofPVpowergeneration，thesun-earthgeometry,andvariousapproachesforconcentratedPV．Importantandfundamentalformulaearededucedforsun-earthgeometrywiththehelpofsphericalgeometryandvectoralg

8、ebraAnumberofproblemssuchasthevalidityofsolar-timebasedsolartracingandconcentration，thesunriseandsunsettime，thesunlightdurationofeachcalendarday,aswellasthecalculationofairmaSsaresolved．Asum-upa