摘 要

太阳能作为一种理想的可再生能源，是可持续利用的清洁能源。在已有的光伏半导体模块中，光电转化效率最高的是硅太阳能电池，但由于材料纯度和制造工艺的局限，它的成本很高，降低成本或者提高转换效率都艰难实现；薄膜太阳能电池的优势在于能够低廉高效的进行光电转换，但是因为它的吸收太阳能波段范围有限，能量产出形式单一，有很大一部分能量被浪费。因此研究一种综合性的光伏电热联用装置就十分重要。

本文根据光伏电热联用装置的需求，设计了基于光谱分频技术的太阳能电热多级利用装置，实现了对太阳能电热分频高频段低频段的综合利用。

本装置通过光谱分频技术对不同谱段的太阳辐射能量分段转换；通过俯仰追踪装置和方位追踪装置实现太阳光垂直照射在薄膜电池板上实现高效率的光电转换，通过相变换热装置实现光热转换。结合了光伏发电系统、光热转换系统、太阳能追踪系统，提高了对薄膜电池的光电转换效率和太阳能的综合利用率。

关键词：太阳能；光谱分频技术；光伏电热综合利用；太阳能追踪

Abstract

As an ideal renewable energy source, solar energy is a sustainable source of clean energy. Among the existing photovoltaic cells, crystalline silicon solar cells have the highest photoelectric conversion efficiency. However, due to material purity and manufacturing process limitations, his cost is high. It is difficult to reduce costs or improve conversion efficiency. The advantages of thin-film solar cells are that they can Low-cost and high-efficiency photoelectric conversion, because of its limited range of solar energy absorption, energy output is in a single form which wasted a large part of energy. Therefore, it is very important to study a comprehensive photoelectric photo thermal device.

In this paper, based on the demand of photovoltaic heating and heating devices, I designed a solar-thermal multi-stage utilization device based on spectral frequency division technology. At the same time, it is realized that the comprehensive utilization of the high-frequency and low-frequency bands of the solar thermal frequency divider.

The device adopts spectral frequency division technology to realize the classification and utilization of solar radiation energy in different spectrum segments. The phase-change thermal device realizes the conversion of light and heat, the vertical tracking device and the azimuth tracking device realize the vertical irradiation of sunlight on the thin film battery panel. The combination of photovoltaic power generation system, photo thermal conversion system, and solar tracking system has improved the photoelectric conversion efficiency of thin-film batteries and the comprehensive utilization of solar energy.

Key Words: Solar energy, Beam splitting technique, CPV/T system, Sun tracking

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的目的和意义 2

1.3 主要研究内容 2

第2章 技术方案及主要零件的设计与选型 4

2.1太阳能的光伏电热联用 4

2.1.1 基于光谱分频技术的光伏热电联用 4

2.1.2 复合抛物聚光曲面 5

2.1.3 相变换热装置 7

2.2太阳光线追踪 8

2.2.1 水平方位追踪 8

2.2.2 俯仰追踪 9

2.3主要零件的选型 10

2.3.1俯仰追踪装置零件 10

2.3.2方位追踪零件 12

第3章 电热多级利用装置结构设计建模 14

3.1 装置整体结构 14

3.2 光伏热电联用装置关键结构 14

3.2.1 复合抛物面聚光器 14

3.2.2 相变换热装置 16

3.3 追踪装置机械机构 17

3.3.1 水平方位追踪装置 17

3.3.2 俯仰转动装置 17

3.4 双轴追踪部分的模拟仿真 19

第4章 装置主要零部件的分析 20

4.1 主要零部件的分析 20

第5章 总结 23

5.1 装置总结 23

5.2 论文总结 23

5.3 工作小结 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪 论

能源是一个国家安全和社会经济持续发展必不可少的因素，它对国家经济、社会等方方面面有着深远的影响。自80年代改革开放起，我国经济获得了巨大的的进步，对能源的需求总量也呈现递增趋势。国内现有的石油和天然气等化石能源已经不足以满足我们的需求，而且化石能源使用过程中，使用效力较低而且对环境造成了不可磨灭的影响。能源紧缺、严重依赖化石能源限制了我国社会经济的进步。因此，我国目前急需研究开发可再生能源，增加其在能源组成结构中的比例，研究能够使用效率更高的技术方案，影响着我国经济社会的未来。

1.1 研究背景

由于节能减碳问题的必要性，对可再生能源的研究和开发受到了世界范围内广泛的关注。可再生能源的开发形式必须满足可持续发展的原则，同时要满足储量巨大、稳定、污染较少的特点。

在常规能源无法满足需求的当代社会，具有普遍性、无害性、巨大性和长久性的太阳能受到世界范围内的广泛关注。地球收到的来自太阳的辐射能量巨大，但这些能量只占大约太阳发出的总能量的极小一部分，我们有很大的开发利用空间。太阳能和煤、石油等化石能源不一样，它不会加剧地球的“温室效应”，造成全球气候变暖和环境的污染。由于太阳能的特性，许多国家已开始重视太阳能的研究和利用，全球范围内都在争相开发各种太阳能利用技术和新型太阳能材料，目的是为了扩大太阳能的利用领域[^[1]]。无论是从光伏发电、太阳能电热供水、太阳能取暖，还是各种不同的太阳能动力系统或设备，它的应用都已经十分广泛，而且在某些情景中，太阳能的利用已经具有十分成熟的技术。由此看来，伴随着科学技术的发展，人们追求的太阳能全面利用的已不是一个空想技术，而是真正走入现实生活中来。太阳能热利用和光伏利用两种方式在太阳能利用中占很大比重。太阳能光热转换利用是指将太阳辐射能转换为热能形式而进行利用；光伏转换利用是指通过各种类型的光伏元件，将太阳辐射能转换为电能的进行利用 [^[2]]。另外，很多新型太阳能转换利用形式也获得了广大的关注，如太阳能光化学转换和光生物转换。

对使用某种半导体材料的光伏电池只能利用太阳光谱中一部分范围内的太阳辐射能量，技术人员设计将不同半导体材料进行配合的方法，设计出光谱响应范围更广的半导体集合，但是还有部分的辐射能量没有被利用。这一范围内谱段的太阳辐射能和光子能量超出带隙能的范围，会在电池内部转换为热能，造成光伏发电系统巨大的热负荷，且高倍聚光光伏系统热负荷更大[^[3]]。为了提升系统光电转换效率，需要对光伏元件增加良好散热装置。

传统将光伏电热结合在一起的系统，原理是添加冷却回路装置对光伏电池背面进行冷却处理，降低了电池运行温度的同时回收利用太阳辐射在电池内部生成的热量，这种方法可提高太阳能的综合利用效率。以上只基于了光伏电池不能完全利用全光谱太阳辐射能而产生的废热，提出了相应的废热回收利用方案。运用上述方案的光伏电热联用系统，光伏电池的散热回路与光伏电池进行热交换，与之热耦合，系统的太阳能利用效率没有很大的提升。

为弥补上述系统的不足之处，聚光型光伏电热联用系统应运而生。国内外一些专家在聚光型光伏电热联用系统的理论与实验研究方面投入了大量的精力和时间。刘启香等对复合抛物面聚光器的硅太阳电池综合利用系统进行了全面的研究，Coventry针对其研制的37倍聚光比的“太阳能热电联用系统”进行实验，孙健等搭建了CPC低倍聚光太阳能PV/T单通道空气冷却系统试验台[^[4]]。以往所设计的光伏电热联用装置结构简单，集热装置的换热性能还能够近一步提高，光电光热转换效率以及综合利用率仍然偏低。

1.2 研究的目的和意义

和发达国家相比，在太阳能先进技术研究与应用方面，我国的发展较为落后，在一些主要技术上仍缺少国际领先的自主知识产权。光热利用和光伏发电作为主流的太阳能利用技术已在全球范围的利用和推广。但是，因为开始投入成本较高、光热转换效率低，而且受太阳辐射间歇性、不稳定性的影响，太阳能热发电技术的推广受到了严重制约[^[5]]。在光伏发电技术中，光伏电池制造成本高，而且制造光伏电池板过程会产生严重的环境污染，同时电池板的光电转换效率较低，光伏电池仅能利用太阳光谱中的特定波段，其余波段的光子在其内部耗散为热量。因此，研究一种能源利用效率高的太阳光伏电热综合利用技术装置，节约成本和减少污染是十分必要的。

将太阳能分频利用，避免了无法进行高效光伏转换的的太阳辐射能进入光伏电池而产生的废热，同时可将这些谱段的太阳辐射能独立进行光热转换，这些热量可以用来加热生活用水等。光伏电池的温度降低，光电转换效率提升。

太阳能光伏电热联用系统将光伏组件与光热转换装置配合为一个整体，同时将太阳辐射能量转换为电能和热能，太阳能的转换效率得到了提升。与各成一体的光伏系统和集热系统相比，太阳能电热联用装置集中于一个装置，具有系统成本降低、占地面积减小、有利于建筑美观的优点，且更加有效地利用太阳能。

1.3 主要研究内容

本文基于光谱分频的思想，针对太阳能光伏电热热联用系统中分频技术、聚光器聚光效率、电池光电转换效率等问题，设计优化几何结构，运用Solidwoks软件建模并进行模拟仿真，力求找到一种简便高效的聚光光伏光热联用装置的设计方案，以降低成本、提高太阳能的利用效率。本文的主要研究内容如下：

（1）针对普通薄膜电池只能利用低频段200nm到800nm波长范围内约58%太阳辐射能量，剩余高频段的太阳辐射能量不能有效利用的问题，设计一种基于光谱分频技术的光伏光热联用装置，实现对太阳能各谱段更加综合高效利用。

（2）为了更好的将分频器利用后剩余的能量均匀的聚集在真空集热管上以提高光热转换效率，设计一种复合聚光曲面聚光器，实现对高频段太阳辐射能量的高效利用。

（3）研究表明，普通薄膜电池光电转化率与太阳光入射角有关，当光线垂直射入聚光曲面时，聚光效果最好。因此设计俯仰追踪和周向追踪装置，使太阳光垂直入射薄膜电池，提高太阳能的利用率。

（4）运用计算机设计辅助软件Solidworks进行三维建模、虚拟装配及干涉检查，运用Simulation对主要零部件进行应力和变形的分析，以保证结构的合理性和稳定性。

第2章 技术方案及主要零件的设计与选型

电热多级利用装置目的是提高太阳能的综合利用率。基于这个目的，本装置首先为了提高太阳能全光谱太阳辐射能量的利用效率，要通过组合装置实现对太阳能的光热联用；其次为了提高太阳能电池的光电转换效率，要实现光线追踪，使光线垂直的照射到太阳能电池板上进行光电转换。初步拟定该装置大体结构如图2-1所示：

图2-1 装置示意图

2.1太阳能的光伏电热联用

此部分设计由三个方面组成，分别是基于光谱分频技术的光伏热电联用、复合抛物线聚光曲面以及相变换热装置。

2.1.1 基于光谱分频技术的光伏热电联用

太阳能光电转换是利用半导体电池的光伏特效应将太阳辐射能转换为电能的过程。太阳辐射能对于太阳光谱的分布是不均匀的，光伏电池只能利用太阳光谱中的特定波段，如普通硅光电池为300nm至1120nm；而能够加热物体的热辐射能量大多集中于800nm以后。除去光伏电池所能够利用的低频段太阳能，剩余的高频段太阳能的光子在电池中耗散为热量，电池因此热负荷很大，对散热系统有很高的要求，如果散热达不到一定效率，会导致电池光电转换效率降低。

光谱分频技术是根据光谱中光子的频率或频率范围的不同，对其进行投射或反射等区别处理。由于光伏电池具有各自对应的光谱响应区间，利用光谱分频技术对太阳辐射中不同波段的能量分开利用：将太阳辐射中能够进行高效光伏转换的谱段用以光伏电池进行光电转换；同时将不能高效进行光电转换的太阳辐射以及转换率低的高频段太阳辐射能量投射到太阳能热接收器表面进行光热转换[^[6]]。这种将不同波段太阳辐射能量分开利用的技术，可以避免无法利用的高频段太阳能光子在电池中耗散的热量造成电池热负荷很大，同时将不能进行高效光伏转换的太阳辐射谱段用在光热转换。基于光谱分频技术太阳能光伏热电联用系统可以避免光伏和光热系统中的热耦合，能够提高太阳能的综合利用率。

在基于光谱分频技术的太阳能光伏热电联用系统中，聚光器的太阳光接受面出安装的是光伏电池。钙钛矿薄膜电池的太阳能吸收谱段是300nm到800nm，利用这部分太阳辐射能量进行光电转换，由于钙钛矿薄膜电池的摊铺层薄，波长不小于800nm的太阳辐射能量会透过该电池，运用到光热系统中。利用其特性，将薄膜电池印刷在透明导电基底上，即可达到光谱分频的目的。因此，太阳光经过钙钛矿薄膜电池及其所在的透明导电基底，低频段太阳辐射能量用于进行光电转换，高频段能量投射在集热器表面进行光热转换。

2.1.2 复合抛物聚光曲面

抛物面聚光器现有的形式有槽式抛物面太阳能聚光器和复合抛物面太阳能聚光器两种。复合抛物面太阳能聚光器的端面为对称的“U”型结构，其对称轴的左右两边由圆的一段渐开线与一段抛物线经平滑过渡连接而成。所述圆的渐开线是以集热管的端面圆做为基圆展开的，所述抛物线为两条焦点重合且其对称轴均与“U”型复合抛物面聚光器的对称轴成夹角的抛物线的一部分，集热管的端面圆即渐开线的基圆的圆心与两条抛物线的焦点重合，这样的结构使得两条抛物线的对称轴之间的夹角范围正是复合抛物面太阳能集热器的最大接收角度，不论光以什么角度入射到渐开线上都能被渐开线反射后照射到此渐开线的基圆上[^[7]]。其截面如图2-2所示：

图2-2 复合抛物聚光曲面截面

槽式抛物面太阳能聚光器由抛物柱面反射聚光板和真空集热管以及一些必要的支架组成。其截面如图2-3所示：

图2-3 槽式抛物聚光曲面截面

与槽式抛物反射聚光器相比，复合抛物面太阳能聚光器优点是结构简单，便于制造加工，聚光器和集热管的相对位置明了，便于后期装配，整个装置配合太阳能跟踪器，能达到很好的聚光效果[^[8]]。因此，本装置选择复合抛物面太阳能聚光器。

方案设计计算过程如下：

复合聚光曲面由两个抛物面与吸热圆的两个渐开线面相接而成。AC、BD分别由抛物线绕原点（也是该抛物线的焦点）顺时针旋转（被定义为两个抛物线上端点与两焦点的连线的夹角）和逆时针旋转同样大小的角度得到的两支抛物线的一段，关于中心轴对称，AD与BC的交点同时是AC、BD两支抛物线的焦点，如图2-4所示：

图2-4 复合抛物聚光曲面设计计算草图

θ为抛物面的最大偏置角度，θ越小，聚光比越大，θ减小会直接减小复合太阳能聚光器接收太阳光的有效范围。在本装置中选择θ选择为6°。

以集热管圆心为原点，复合抛物面太阳能聚光器的对称轴为y轴建立平面直角坐标系，

可以列出两条渐近线方程为：

（2-1）

（2-2）

其中r为基圆（吸热圆）的半径，圆的渐开线的最大开口为基圆（吸热圆）的周长，算的：

r （2-3）

复合聚光器的焦距可以表示为：

) （2-4）

（2-5）

由抛物线绕原点顺时针旋转和逆时针旋转得到的两支抛物线方程可以表示为：

左抛物线的方程：

（2-6）

右抛物线的方程：

（2-7）

设置本装置中上端开口为360mm，轴倾斜度为6度，最后在软件中建立模型。

2.1.3 相变换热装置

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