高倍聚光光伏系统的多场耦合机理及反向设计方法研究

Dense-array Concentrated Photovoltaics(DA-CPV) focus the sunlight on photovoltaic modules, which make it easier for the cooling of solar cells and can also collect the heat. DA-CPV is the leading technology in the area of concentrated photovoltaics. It is based on optics-thermal-electric multi-field coupling and complex energy conversion process, results that the efficiency decreases apparently compared with traditional CPV systems. Therefore it still has much space to improve the efficiency. The numerical simulation and experimental study would both be adopted in the current project, to build the reverse design method for target concentrated heat flux distribution, study the integration matching rule of concentrated solar transmission - coupled heat transfer - PV modules arrangements, analyse the output characteristic of DA-CPV system under multiple error and fluctuation. Through this study, the discrete representation and heat flux adjustment method in 3-D concentrated solar transmission would be mastered. The multi-field coupling mechanism of energy conversion would be discovered. The application potential of DA-CPV system in working condition would be achieved. The study would provide basic theoretical support for the development and applications of concentrated solar power.

密集阵列聚光光伏(DA-CPV)系统直接将太阳辐射能流汇聚在电池阵列模组，更易实现对电池背板的一体化冷却和热量回收，是聚光光伏领域较为领先的技术。而DA-CPV利用是基于光-热-电多场耦合下的复杂能量转换过程，导致其在实际应用中的转换效率远不及常规光伏系统，仍存在极大的提升空间。本项目拟采用数值模拟和实验研究相结合的手段，探求基于目标聚光能流分布的反向设计方法，研究聚光传输-耦合换热-电池阵列排布的一体化匹配规律，分析多误差耦合机制、多波动因素影响下的DA-CPV输出特性。通过研究，掌握三维聚光能量传输的离散化表征与能流分布调控方法，揭示系统光-热-电多场耦合下的能量转换优化机制，发掘DA-CPV系统实际运行工况下的利用潜能，为聚光太阳能利用技术的发展和应用提供基础理论支撑。

太阳能的充分利用对节能减排、促进可持续发展起着重要作用。而太阳能流密度低、具有动态间歇性质，聚光太阳能(CSP)系统将大面积太阳辐射能量汇聚在较小的范围，达到对高密度能量有效转化的目的，近年来，聚光光伏(CPV)技术在太阳能利用领域受到了广泛关注，但在目前的实际应用中，聚光光伏系统的光电转换效能仍存在极大的提升空间。将聚光能量传输进行发射点和传输路径的离散化表征，在此基础之上实现聚光系统反向设计求解已成为近年来CSP领域的国际前沿课题，对提升聚光光伏能流分布均匀性和转换效率方面具有重要的理论和应用价值。同时，结合聚光光伏的光-热-电能量转换过程开展一体化特性研究是提高转换效率的重要途径，但目前缺乏系统的研究认识。.本课题构建了三维聚光能量传输的离散化表征及能流分布调控方法，掌握了多套非成像光学原理设计的聚光光伏系统光学反问题优化设计模型及光路传输特性，搭建了光伏电池受外部强光能流-对流换热-导热耦合特性试验平台，通过非线性回归获取了光电池I-V特性建模参数，采用有限元方法求解了聚光光伏系统光学、热传导和电学特性。通过项目研究，掌握了聚光光伏系统多场耦合下的能量转换优化机制，发掘了聚光光伏系统实际运行工况下的利用潜能，为聚光太阳能利用技术的发展和应用提供基础理论支撑。.项目期间，负责人创新性地将工程光学领域的离散化建模思想引入聚光光伏系统设计，自主开发完成了独具特色的代码程序，利用该模型参与了“国际空间太阳能学生竞赛（国际宇航联合会空间能源委员会主办）”的项目研发，受到国际权威专家的认可，获得了第二名的佳绩，受工信部主页报道。除此之外，负责人和空间太阳能领域权威专家John Mankins(国际宇航学会空间系统与技术发展主席)合作发表了多项研究成果，是国际上首个公开发表的空间太阳能电站可行性技术方案。基于以上研究成果发表学术论文9篇，SCI录用5篇，申报/授权发明专利5项，并被聘为SCI期刊《Energies》客座主编。