光伏光热一体机聚光单元的优化设计

发布时间：2020-08-04 19:09

【摘要】：光伏光热一体机采用聚光跟踪技术，把数倍太阳光汇聚到光伏电池上，提高了单位面积光伏电池的发电量；采用层压工艺，将光伏电池与热交换器层压成一体，确保光伏电池的工作温度低于60℃，保证光伏电池得到较高光电转化效率的同时，又获取无法转化为电能的光热，从而实现光伏和光热的综合利用。聚光单元作为光伏光热一体机的主要部件，影响着光伏光热一体机的工作性能，对其进行强度、刚度分析以及优化设计，保证其工作性能和使用寿命，都有着重要的工程意义。根据课题的需要，主要对以下几个方面展开了研究： 1）光伏光热一体机聚光单元有限元模型的建立与静强度分析。运用Hypermesh和ANSYS Workbench进行联合仿真，建立聚光单元的有限元模型，并进行静态分析。在垂直光伏组件方向8级大风等效均布载荷作用下，对聚光单元进行了强度和刚度分析。 2）在垂直光伏组件方向8级大风等效均布载荷作用下，对聚光单元的关键部位进行应变电测实验。根据静强度分析的结果，选取聚光单元上的关键点，进行应变电测实验，然后对比静强度分析的结果，校核有限元分析模型，从而得到可靠的有限元模型；最后考虑重力作用，运用该有限元模型，分别在垂直光伏组件方向的等效8级风载和等效12级风载作用下，对聚光单元的强度和刚度进行了分析。 3）聚光单元的动态分析。运用虚拟样机技术，在ADAMS中建立聚光单元虚拟样机模型，对聚光单元在水平方向等效8级风载作用下，进行动态分析，算出聚光单元运动过程中的最大受力位置，然后对其进行动强度和刚度分析。 4）光伏光热一体机聚光单元的优化设计。运用ANSYS Workbench中的DesignXplorer模块，对一体机聚光单元的结构参数进行优化，优化聚光单元中镜架悬臂梁、镜架支撑钢管和镜架连接块的尺寸，在保证聚光单元强度和刚度的前提下，减少聚光单元的耗材，减轻了聚光单元的重量，降低了成本。通过以上研究，对现有光伏光热一体机聚光单元的静态特性和动态特性进行了有限元分析，在保证聚光单元工作性能的前提下，对聚光单元进行了优化设计，从而降低聚光单元的重量达8.0%左右，减少聚光单元钢材消耗11.2%左右。
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK513
【图文】：

光热,一体机,光伏,样机

2.1 光伏光热一体机光伏光热一体机采用聚光跟踪光伏发电技术，获取数倍的光照强度，在相同的发电功率条件下，减少了光伏电池使用量，降低了光伏发电的成本；采用特殊结构和层压工艺的聚光光伏电池组件，具备热交换和温控功能，确保晶硅电池片在 60℃以下工作，解决了聚光带来晶硅电池片温升过高而降低其光电转化效率的技术难题，并把聚光电池组件上无法转变成电能的光热以热水形式收集起来，再通过高效平板集热器对聚光电池组件热交换器流出的温水进行二次加热，获取 80℃以上利用价值高的热水，使得光电光热综合转换效率大于 55%。达到太阳能光电—光热综合利用的高效、低成本、实用化效果。光伏光热一体机样机，如图 2.1 所示，含有四个聚光单元 1，四个聚光单元 1 全部固定于方位角传动长轴 4 上。该方位角传动长轴 4 由多个三角架支撑，通过方位角驱动机构5 带动方位角传动长轴 4 转动，使所有的聚光单元 1 联动，同步跟踪太阳方位角。所有的聚光单元 1 又都可绕各自的高度角传动轴 2 转动，通过高度角联动架 3 把所有的聚光单元1 连接在一起，通过高度角驱动机构 6 推动高度角联动架 3，从而带动所有聚光单元 1 联动，同步跟踪太阳高度角。

光路图,单元

元单元聚光光路图及其相关结构参数的确定单元聚光光路图一体机聚光单元的底部安装有一排平面镜，聚光光伏组件固定元通过光电传感器、电控系统和驱动装置自动跟踪太阳转动，聚光单元始终保持一定的位置关系，使单位面积的晶硅电池片单位面积晶硅电池片的发电量，聚光原理如图 2.2 所示。图中部的镜架悬臂梁 1 上，通过跟踪机构，使得太阳光线始终与镜太阳光经平面镜 2 反射的光线均匀地汇聚到聚光电池组件 3 上电池组件 3 的背部还安装了一块面向太阳的集热板 4，直接吸收的热水温度。

数学模型,直线方程,平面镜,交点

111 C DA ，HLD AOarctan21211 方程： x L1tan 1得 BD2的直线方程： BB y x x1tan 2 程（2-2）和（2-3）可以求得交点 D2坐标为：1111tantan2tantan22 BBLyx， 11tantan2tantan2 yxLyBBD块平面镜的宽度为： 22122121DDDD DD x x y y

【参考文献】