菲涅尔透镜表面积尘对HCPVT系统热电输出性能的影响

作     者：马晓东 

作者单位：内蒙古工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫素英;吕瑞强

授予年度：2019年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：菲涅尔透镜 积尘 HCPVT系统 热电输出特性 聚光特性 预测模型 

摘      要：针对由菲涅尔透镜表面积尘引起的聚光损失,砷化镓电池表面能流分布不均和系统热电输出性能下降等方面的问题,本文基于风沙气候条件以菲涅尔HCPVT系统为研究对象,根据不同积尘特性,理论分析并建立了积尘对系统电输出性能的预测模型,对系统的聚光特性进行试验研究和仿真模拟,通过试验和理论对比的方法研究积尘对系统热电输出性能的影响规律。本文通过分析积尘机理及其对聚光器透射率的影响,将砷化镓电池单指数模型与积尘重叠模型进行耦合,建立考虑入射角的三结砷化镓电池单指数预测模型,通过模型预测出DNI为800 W/m~2时,透镜表面洁净时的电流为5.13 A,而积尘密度为5 g/m~2时的电流为3.76 A,积尘后下降约26.71%;透射率由洁净时的92%降至积尘密度为5g/m~2的77.9%左右,整体降幅约14.1%;将模型预测的透射率理论值与实测值对比,误差最大约8%左右。通过人工布尘的试验测试方法,分析积尘对聚光器透射率及波长的影响规律,定量分析积尘密度、积尘粒径对菲涅尔透镜透射率、吸光度的影响。结果表明,在200nm~400 nm波段内,透射率由0快速增加到90%左右,在波长为400 nm~1000 nm时,透镜透射率缓慢增高到92%;随着积尘密度的增加,透镜的透射率逐渐降低,从洁净状态的91.71%下降到积尘密度为3.12 g/m~2时的69.14%,平均积尘密度增加1 g/m~2,透射率下降约7.23%;对比透镜表面洁净和积尘密度为3.12 g/m~2时的吸光度,其值分别为0.065和0.182,平均积尘密度增加1 g/m~2,其吸光度增加约0.031,增长幅度约为47.27%。本文建立了积尘的三维模型,利用蒙特卡洛追迹法,研究积尘对系统聚光效率、电池表面能流分布及光斑均匀性等聚光性能的影响规律,同时,分析了积尘特性及结构参数对系统聚光性能的影响。结果表明;积尘密度小于10 g/m~2时,平均积尘密度增加1 g/m~2,能流密度下降约4.77%,其聚光效率下降约4.12%;对比在入射角为0~1°和1~2°时的聚光效率,分别下降约22.02%和28.61%,呈现聚光效率下降幅度增大的趋势;装配距离在350 mm~360 mm时,光斑均匀性由45.3%左右快速下降至1.91%左右,在360 mm~380 mm时,光斑均匀性快速增大到89%左右。通过人工布尘的方式进行试验测试,研究分析积尘密度对系统热电输出性能的影响,试验结果表明,系统电压随着积尘密度的增大几乎不变,而系统电流则随着积尘密度的增大而逐渐降低,在积尘密度小于8 g/m~2时,平均积尘密度增加1 g/m~2,电流下降0.23 A;积尘对系统热性能的影响程度大于积尘对电性能的影响程度,平均积尘密度增加1 g/m~2,热功率下降6.8%,热效率下降6.17%,电效率下降5.4%,电功率下降约5.8%,系统发电量下降约6.9%。