使用多层光学介质薄膜滤光的聚光太阳能发电技术的理论与实验研究
发布时间：2021-12-01 22:00
地球表面接受的太阳能辐射具有能流密度低、光谱分布范围宽的特点。使用聚光器汇集太阳能；针对不同波长段的太阳辐射能量,分别利用相应的匹配性好、性能突出的多种太阳能发电元件转化能量,可以获得比传统的单一利用方法更好的效果。本文以发展较成熟的晶体硅太阳光伏电池做为主要发电部件,探索其与温差发电元件以及斯特林发电系统构建聚光分频联合发电系统,更全面地利用太阳辐射全波段能量的方法。根据典型的硅电池特性及与其联合使用的不同发电元件性能,展开了对应的介质多层薄膜滤光器研究。首先,介绍了地球接受的太阳辐射的特点,以及中国太阳能资源分布的情况；阐述了根据不同地域条件、气象情况,结合太阳辐射宽频、低能流密度和不稳定等特点合理利用太阳能的必要性,交代了全文工作的研究背景。介绍了主要的太阳能发电方式及其发展现状；综述了从太阳光谱特征入手优化太阳能发电效果的主要手段；分析了基于太阳能利用的主要分频技术及其发展情况。根据文献综述情况,制定了使用光学介质薄膜对太阳入射光分频,利用以硅电池为主的多种发电方式联合使用入射太阳辐射能量的方案。同时,提出了本文的主体结构和研究内容。介绍了光学薄膜设计的基础理论,根据电磁波理论...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：205 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图索引
表索引
1 绪论
1.1 太阳能资源
1.1.1 地表太阳辐射
1.1.2 中国太阳能资源
1.2 主要太阳能发电方式
1.2.1 太阳能光伏系统
1.2.2 聚光太阳能热发电
1.2.3 太阳能温差发电和太阳能热气流发电
1.3 针对太阳光谱特性优化太阳能发电效率的方式
1.3.1 使用二次辐射源调节光谱
1.3.1.1 热光伏系统(TPV)
1.3.1.2 荧光太阳聚光器(LSC)
1.3.2 层叠布置多种设备宽频利用太阳能
1.3.2.1 层叠式多节太阳电池
1.3.2.2 PVT系统
1.3.3 采用分频技术的分布式宽频太阳能发电
1.3.3.1 光伏分频系统
1.3.3.2 光伏/光热联用分频系统
1.3.3.3 采用滤光器的其他分频利用系统
1.3.4 高温太阳光谱选择性吸收技术
1.4 基于太阳能利用的分频技术发展情况
1.4.1 全息滤光
1.4.2 液体滤光
1.4.3 光谱选择干涉滤光薄膜
1.4.3.1 干涉截止滤光片(The multilayer bandstop filter)
1.4.3.2 皱褶滤光片(The Rugate filter)
1.5 本文主体结构与研究内容
2 光学薄膜基础理论及多层薄膜滤光器基本结构设计的研究
2.1 光学薄膜基础理论
2.1.1 单层平面电磁波
2.1.2 单层膜的干涉
2.1.3 多层膜的干涉
2.2 光学薄膜系统的主要设计方法
2.2.1 计算机辅助设计
2.2.2 经典解析解法与数值解法的比较
2.2.3 本文中滤光器的设计思路
2.3 多层薄膜滤光器基本结构设计及其性能影响因素的研究
2.3.1 薄膜材料的选择
2.3.2 基本周期膜系及其性能考察
2.3.3 高反带(截止区)的拓宽
2.3.4 通带波纹的压缩
2.3.5 偏振效应的影响
2.4 本章小结
3 适用于聚光太阳能发电系统的光学多层薄膜滤光器的研制
3.1 聚光分频光伏光热联合发电系统
3.1.1 系统组成
3.1.2 光伏端的特性
3.1.3 TEG端特性
3.1.4 Stirling端特性
3.2 分频策略
3.3 滤光器基础膜系的设计
3.3.1 初始膜系的解析法设计
3.3.2 Filter-A的设计
3.3.3 Filter-B1的设计
3.3.4 Filter-B2的设计
3.4 滤光器基础设计方案的数值优化
3.4.1 Filter-A设计方案的优化结果
3.4.2 Filter-B1设计方案的优化结果
3.4.3 Filter-B2设计方案的优化结果
3.5 制备
3.5.1 电子束加热蒸发镀膜技术简介
3.5.2 薄膜加工与样品测试
3.6 本章小结
4 PV-TEG聚光分频联用系统的性能实验与模型分析
4.1 实验系统
4.1.1 系统组成与主要测试工具
4.1.2 聚光器
4.1.3 滤光器
4.1.4 光伏电池
4.1.5 温差元件
4.2 光伏电池聚光性能与聚光分频性能比较
4.2.1 CCRS-C50电池实验结果分析
4.2.1.1 短路电流Isc
4.2.1.2 开路电压U_(oc)
4.2.1.3 最大功率P_m
4.2.1.4 填充因子FF
4.2.1.5 发电效率
4.2.2 Si-N电池实验结果分析
4.2.2.1 短路电流I_(sc)
4.2.2.2 开路电压U_(oc)
4.2.2.3 最大功率P_m
4.2.2.4 填充因子FF
4.2.2.5 发电效率
4.3 PV-TEG分频联用系统模型分析
4.3.1 普通晶体硅电池
4.3.2 聚光利用硅电池
4.3.3 计算结果与性能分析
4.4 本章小结
5 PV-DS聚光分频联用系统的性能实验与模型分析
5.1 使用FILTER-B1的硅电池性能实验
5.1.1 实验系统介绍
5.1.2 滤光片性能
5.1.3 单晶硅电池性能测试结果与分析
5.1.3.1 短路电流I_(sc)
5.1.3.2 开路电压U_(oc)
5.1.3.3 最大功率P_m
5.1.3.4 填充因子FF
5.1.3.5 发电效率
5.2 使用FILTER-B1的PV-DS系统性能分析
5.2.1 聚光器
5.2.2 PV工作性能分析模型
5.2.3 DS模型
5.2.4 计算结果与系统性能分析
5.3 本章小结
6 太阳直射辐射光谱变化对聚光发电系统性能影响的研究
6.1 太阳辐射光谱模型
6.1.1 SMARTS光谱分析模型及其分析参数设置
6.1.2 本地太阳辐射光谱计算结果
6.2 太阳能发电系统性能分析
6.2.1 Ⅱ-3B聚光发电系统(CPV)
6.2.2 使用Filter-A的PV-TEG联用发电系统
6.2.3 碟式斯特林发电系统
6.2.4 使用Filter-B1的PV-DS联合发电系统
6.2.5 各系统发电效率计算结果
6.3 本章小结
7 全文总结与工作展望
7.1 内容总结
7.2 主要创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
攻读博士学位期间发表论文
作者简介
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于皮卡遗传算法的纳米多孔薄膜辐射特性反问题研究[J]. 赵佳飞,张艳梅,倪明江,寿春晖,张冀翔,武婷婷,骆仲泱. 中国电机工程学报. 2010(23)
[2]Numerical study on optical and electric-thermal performance for solar concentrating PV/T air system[J]. SUN Jian 1,2 &SHI MingHeng 1 1School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China; 2Department of Thermal Energy Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001,China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2009(12)
[3]二次反射聚光分频光伏系统的三维光学模型[J]. 江守利,陈则韶,胡芃,莫松平. 太阳能学报. 2009(09)
[4]Thermal analysis and optimization of the emitter in the solar thermophotovoltaic （STPV）[J]. CHEN Xue,XUAN YiMin& HAN YuGe School of Power Engineering,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094,China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2009(09)
[5]碟式集热器驱动斯特林热机系统(火用)效率分析[J]. 李亚奇,何雅玲,王巍巍. 工程热物理学报. 2009(06)
[6]半抛物槽式聚光分频光伏系统的性能分析[J]. 江守利,陈则韶,胡芃,莫松平. 工程热物理学报. 2009(03)
[7]Investigation on performance of a solar thermophotovoltaic system[J]. CHEN Xue, XUAN YiMin & HAN YuGe School of Power Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2008(12)
[8]Investigation of one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals for thermophotovoltaic filter[J]. LIU GuangPing, XUAN YiMin, HAN YuGe & LI Qiang School of Power Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2008(11)
[9]Numerical study of PV/T-SAHP system[J]. Gang PEI,Jie JI,Ke-liang LIU,Han-feng HE,Ai-guo JIANG (Department of Thermal Science and Energy Engineering,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China). Journal of Zhejiang University（Science A:An International Applied Physics & Engineering Journal）. 2008(07)
[10]二次反射聚光分频光伏系统的光学分析[J]. 江守利,陈则韶,胡芃,莫松平,陈建新. 工程热物理学报. 2008(03)
博士论文
[1]1kW斯特林发动机的实验研究及热力学分析[D]. 杨泰蓉.中国科学技术大学 2010
[2]太阳光谱选择性的微纳光子结构特性和制备研究[D]. 李晓凡.复旦大学 2010
[3]反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究[D]. 江守利.中国科学技术大学 2009
[4]纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究[D]. 赵佳飞.浙江大学 2009
[5]中国太阳能长期变化及计算方法研究[D]. 赵东.南京信息工程大学 2009
[6]微结构热辐射光谱控制特性及其应用研究[D]. 刘广平.南京理工大学 2008
[7]β-FeSi2基热电材料的微观结构和性能优化[D]. 陈海燕.浙江大学 2007
硕士论文
[1]宽波段分色膜研制[D]. 查家明.南京理工大学 2007
本文编号：3527133
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：205 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图索引
表索引
1 绪论
1.1 太阳能资源
1.1.1 地表太阳辐射
1.1.2 中国太阳能资源
1.2 主要太阳能发电方式
1.2.1 太阳能光伏系统
1.2.2 聚光太阳能热发电
1.2.3 太阳能温差发电和太阳能热气流发电
1.3 针对太阳光谱特性优化太阳能发电效率的方式
1.3.1 使用二次辐射源调节光谱
1.3.1.1 热光伏系统(TPV)
1.3.1.2 荧光太阳聚光器(LSC)
1.3.2 层叠布置多种设备宽频利用太阳能
1.3.2.1 层叠式多节太阳电池
1.3.2.2 PVT系统
1.3.3 采用分频技术的分布式宽频太阳能发电
1.3.3.1 光伏分频系统
1.3.3.2 光伏/光热联用分频系统
1.3.3.3 采用滤光器的其他分频利用系统
1.3.4 高温太阳光谱选择性吸收技术
1.4 基于太阳能利用的分频技术发展情况
1.4.1 全息滤光
1.4.2 液体滤光
1.4.3 光谱选择干涉滤光薄膜
1.4.3.1 干涉截止滤光片(The multilayer bandstop filter)
1.4.3.2 皱褶滤光片(The Rugate filter)
1.5 本文主体结构与研究内容
2 光学薄膜基础理论及多层薄膜滤光器基本结构设计的研究
2.1 光学薄膜基础理论
2.1.1 单层平面电磁波
2.1.2 单层膜的干涉
2.1.3 多层膜的干涉
2.2 光学薄膜系统的主要设计方法
2.2.1 计算机辅助设计
2.2.2 经典解析解法与数值解法的比较
2.2.3 本文中滤光器的设计思路
2.3 多层薄膜滤光器基本结构设计及其性能影响因素的研究
2.3.1 薄膜材料的选择
2.3.2 基本周期膜系及其性能考察
2.3.3 高反带(截止区)的拓宽
2.3.4 通带波纹的压缩
2.3.5 偏振效应的影响
2.4 本章小结
3 适用于聚光太阳能发电系统的光学多层薄膜滤光器的研制
3.1 聚光分频光伏光热联合发电系统
3.1.1 系统组成
3.1.2 光伏端的特性
3.1.3 TEG端特性
3.1.4 Stirling端特性
3.2 分频策略
3.3 滤光器基础膜系的设计
3.3.1 初始膜系的解析法设计
3.3.2 Filter-A的设计
3.3.3 Filter-B1的设计
3.3.4 Filter-B2的设计
3.4 滤光器基础设计方案的数值优化
3.4.1 Filter-A设计方案的优化结果
3.4.2 Filter-B1设计方案的优化结果
3.4.3 Filter-B2设计方案的优化结果
3.5 制备
3.5.1 电子束加热蒸发镀膜技术简介
3.5.2 薄膜加工与样品测试
3.6 本章小结
4 PV-TEG聚光分频联用系统的性能实验与模型分析
4.1 实验系统
4.1.1 系统组成与主要测试工具
4.1.2 聚光器
4.1.3 滤光器
4.1.4 光伏电池
4.1.5 温差元件
4.2 光伏电池聚光性能与聚光分频性能比较
4.2.1 CCRS-C50电池实验结果分析
4.2.1.1 短路电流Isc
4.2.1.2 开路电压U_(oc)
4.2.1.3 最大功率P_m
4.2.1.4 填充因子FF
4.2.1.5 发电效率
4.2.2 Si-N电池实验结果分析
4.2.2.1 短路电流I_(sc)
4.2.2.2 开路电压U_(oc)
4.2.2.3 最大功率P_m
4.2.2.4 填充因子FF
4.2.2.5 发电效率
4.3 PV-TEG分频联用系统模型分析
4.3.1 普通晶体硅电池
4.3.2 聚光利用硅电池
4.3.3 计算结果与性能分析
4.4 本章小结
5 PV-DS聚光分频联用系统的性能实验与模型分析
5.1 使用FILTER-B1的硅电池性能实验
5.1.1 实验系统介绍
5.1.2 滤光片性能
5.1.3 单晶硅电池性能测试结果与分析
5.1.3.1 短路电流I_(sc)
5.1.3.2 开路电压U_(oc)
5.1.3.3 最大功率P_m
5.1.3.4 填充因子FF
5.1.3.5 发电效率
5.2 使用FILTER-B1的PV-DS系统性能分析
5.2.1 聚光器
5.2.2 PV工作性能分析模型
5.2.3 DS模型
5.2.4 计算结果与系统性能分析
5.3 本章小结
6 太阳直射辐射光谱变化对聚光发电系统性能影响的研究
6.1 太阳辐射光谱模型
6.1.1 SMARTS光谱分析模型及其分析参数设置
6.1.2 本地太阳辐射光谱计算结果
6.2 太阳能发电系统性能分析
6.2.1 Ⅱ-3B聚光发电系统(CPV)
6.2.2 使用Filter-A的PV-TEG联用发电系统
6.2.3 碟式斯特林发电系统
6.2.4 使用Filter-B1的PV-DS联合发电系统
6.2.5 各系统发电效率计算结果
6.3 本章小结
7 全文总结与工作展望
7.1 内容总结
7.2 主要创新点
7.3 未来工作展望
参考文献
攻读博士学位期间发表论文
作者简介
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于皮卡遗传算法的纳米多孔薄膜辐射特性反问题研究[J]. 赵佳飞,张艳梅,倪明江,寿春晖,张冀翔,武婷婷,骆仲泱. 中国电机工程学报. 2010(23)
[2]Numerical study on optical and electric-thermal performance for solar concentrating PV/T air system[J]. SUN Jian 1,2 &SHI MingHeng 1 1School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China; 2Department of Thermal Energy Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen 333001,China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2009(12)
[3]二次反射聚光分频光伏系统的三维光学模型[J]. 江守利,陈则韶,胡芃,莫松平. 太阳能学报. 2009(09)
[4]Thermal analysis and optimization of the emitter in the solar thermophotovoltaic （STPV）[J]. CHEN Xue,XUAN YiMin& HAN YuGe School of Power Engineering,Nanjing University of Science & Technology,Nanjing 210094,China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2009(09)
[5]碟式集热器驱动斯特林热机系统(火用)效率分析[J]. 李亚奇,何雅玲,王巍巍. 工程热物理学报. 2009(06)
[6]半抛物槽式聚光分频光伏系统的性能分析[J]. 江守利,陈则韶,胡芃,莫松平. 工程热物理学报. 2009(03)
[7]Investigation on performance of a solar thermophotovoltaic system[J]. CHEN Xue, XUAN YiMin & HAN YuGe School of Power Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2008(12)
[8]Investigation of one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals for thermophotovoltaic filter[J]. LIU GuangPing, XUAN YiMin, HAN YuGe & LI Qiang School of Power Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2008(11)
[9]Numerical study of PV/T-SAHP system[J]. Gang PEI,Jie JI,Ke-liang LIU,Han-feng HE,Ai-guo JIANG (Department of Thermal Science and Energy Engineering,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China). Journal of Zhejiang University（Science A:An International Applied Physics & Engineering Journal）. 2008(07)
[10]二次反射聚光分频光伏系统的光学分析[J]. 江守利,陈则韶,胡芃,莫松平,陈建新. 工程热物理学报. 2008(03)
博士论文
[1]1kW斯特林发动机的实验研究及热力学分析[D]. 杨泰蓉.中国科学技术大学 2010
[2]太阳光谱选择性的微纳光子结构特性和制备研究[D]. 李晓凡.复旦大学 2010
[3]反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究[D]. 江守利.中国科学技术大学 2009
[4]纳米流体辐射特性机理研究及其在太阳能电热联用系统中的应用研究[D]. 赵佳飞.浙江大学 2009
[5]中国太阳能长期变化及计算方法研究[D]. 赵东.南京信息工程大学 2009
[6]微结构热辐射光谱控制特性及其应用研究[D]. 刘广平.南京理工大学 2008
[7]β-FeSi2基热电材料的微观结构和性能优化[D]. 陈海燕.浙江大学 2007
硕士论文
[1]宽波段分色膜研制[D]. 查家明.南京理工大学 2007
本文编号：3527133
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