玻璃夹胶及新结构荧光光波导集光太阳能光伏器件的制作与性能研究

【摘要】：目前太阳能光伏发电成本远远高于水力、火力等常规发电方式,所以一直没有得到大规模应用。为降低太阳能光伏发电成本,提高光伏发电性价比,人们提出了很多解决方案,也开拓了很多新的研究方向,其中一个重要方向就是发展荧光光波导集光太阳能光伏器件(Luminescent Solar Concentrator,简称LSC)。近年来,研究者对于LSC的系统性能研究取得了一系列进展,然而受到荧光材料和光波导结构等多种因素影响,依然存在系统效率低、稳定性差及缺乏应用研究等诸多问题。本论文主要利用玻璃夹胶和高分子加工工艺,制备了不同尺寸的LSC,并针对其光电转换效率、荧光稳定性、光波导损耗以及器件光伏发电应用等问题,开展了一系列的研究工作。论文主要分为以下几个部分： 第1章是背景介绍和相关研究工作的文献综述。首先,阐述了太阳能开发利用的重要性以及太阳能光伏发电技术的整体状况,包括太阳电池的发展历程与工作原理,光伏发电系统的组成与发展现状等。其次,介绍了聚光太阳能光伏发电系统的发展情况与研究进展。最后,综述了LSC的发展历史与研究现状,提出本论文的研究内容,以及拟解决的科学问题。 第2章是玻璃夹胶荧光光波导集光太阳能光伏器件(Glass Laminated Luminescent Solar Concentrator,简称GL-LSC)的制作与性能研究。对于文献中的荧光材料的光学性能进行了分析,最终选择了Lumogen Red305与Yellow083复合荧光材料体系,测试表明该复合荧光材料可以有效地拓宽GL-LSC对太阳光谱的利用范围。采用玻璃夹胶结构设计,将荧光胶膜密封于两块玻璃之间,隔绝空气和水汽,能有效地保护GL-LSC中的荧光材料。综合考虑了GL-LSC效率和材料成本,制作了7.8×7.8cm2和15.6x15.6cm2尺寸的GL-LSC,耦合单晶硅太阳电池,在标准太阳下效率可以分别达到3.0%、2.3%。高强度的紫外线加速老化实验表明,GL-LSC比起传统LSC有更好的稳定性。 第3章是大尺寸荧光光波导集光太阳能光伏器件的制作与性能研究。采用双螺杆挤出机制作了大尺寸荧光胶膜,并且应用于玻璃夹胶荧光光波导的制作。制作了31.2x31.2cm2和61×122cm2尺寸的GL-LSC,测试和分析了其性能。结果表明,随着GL-LSC面积的不断增加,系统功率不断提高,但是系统光电转换效率却在快速下降。为了提高系统光电转换效率和发电性价比,我们制作了底面耦合太阳电池的新型结构荧光光波导集光太阳能光伏器件(Bottom-mounted PV cells Luminescent Solar Concentrator,简称BMP-LSC)。采用掩膜实验探索了太阳电池功率增益与太阳电池覆盖率、太阳电池尺寸的关系。分别采用27块15.6x2.0cm2、15.6x1.0cm2、12.5x2.0cm2和12.5×1.0cm2尺寸单晶硅太阳电池耦合在61×122cm2尺寸荧光光波导底面制作了四个BMP-LSC器件。通过成本分析表明,追求最高太阳电池功率增益或系统光电效率都会导致系统整体性价比下降。根据太阳电池材料和荧光光波导材料成本计算,四个器件中,耦合12.5×2.0cm2尺寸太阳电池BMP-LSC的性价比$1.25/WP最高。制作了大尺寸BMP-LSC集光光伏器件,并且搭建了独立光伏发电系统进行了系统性能测试。 第4章是总结与展望。总结了全文在GL-LSC与BMP-LSC方面的制作及其性能研究工作和存在的问题,展望了GL-LSC与BMP-LSC在新型太阳能光伏建筑一体化中的应用前景。 【关键词】：太阳能光伏 聚光太阳能 荧光光波导集光 玻璃夹胶 底面耦合电池 Ⅰ-Ⅴ性能 光伏建筑一体化
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-55
• 1.1 引言11-13
• 1.2 太阳能光伏发电系统13-23
• 1.2.1 太阳电池的发展历程14-16
• 1.2.2 太阳电池的工作原理16-19
• 1.2.3 太阳能光伏发电系统的类型19-21
• 1.2.4 太阳能光伏发电发展现状21-23
• 1.3 聚光太阳能光伏发电系统23-28
• 1.3.1 聚光太阳能光伏发电系统组成23-25
• 1.3.2 聚光太阳能光伏发电研究进展25-28
• 1.4 荧光光波导集光太阳能光伏器件28-46
• 1.4.1 荧光光波导集光太阳能光伏器件简介28-29
• 1.4.2 荧光光波导集光太阳能光伏器件物理模型的理论分析29-41
• 1.4.3 荧光光波导集光太阳能光伏器件研究进展41-44
• 1.4.4 荧光光波导集光太阳能光伏器件的应用前景44-46
• 1.5 本论文研究意义及主要内容46-48
• 参考文献48-55
• 第2章 玻璃夹胶荧光光波导集光太阳能光伏器件(GL-LSC)的制作55-71
• 2.1 引言55
• 2.2 GL-LSC的结构55-56
• 2.3 GL-LSC的制作56-64
• 2.3.1 实验试剂和仪器56-57
• 2.3.2 荧光染料的选择57
• 2.3.3 光波导介质的选择57-60
• 2.3.4 太阳电池与PCB电路板的设计制作60-61
• 2.3.5 GL-LSC的制作61-64
• 2.4 GL-LSC的性能表征64-66
• 2.4.1 荧光材料的性能表征64
• 2.4.2 GL-LSC的I-V性能表征64-65
• 2.4.3 GL-LSC的稳定性表征65-66
• 2.5 结果与讨论66-68
• 2.5.1 荧光材料的性能分析66
• 2.5.2 GL-LSC的I-V性能分析66-68
• 2.5.3 GL-LSC的稳定性分析68
• 2.6 本章小结68-69
• 参考文献69-71
• 第3章 大尺寸荧光光波导集光太阳能光伏器件的制作71-91
• 3.1 引言71
• 3.2 BMP-LSC的结构71-72
• 3.3 大尺寸GL-LSC与BMP-LSC的制作72-77
• 3.3.1 大尺寸荧光光波导的制作72-74
• 3.3.2 大尺寸GL-LSC器件的制作74-75
• 3.3.3 大尺寸BMP-LSC器件的制作75-76
• 3.3.4 室外光伏发电系统的制作76-77
• 3.4 器件的性能表征77-80
• 3.4.1 标准组件测试仪77-79
• 3.4.2 大尺寸GL-LSC的性能表征79
• 3.4.3 大尺寸BMP-LSC的性能表征79-80
• 3.5 结果与讨论80-87
• 3.5.1 大尺寸GL-LSC的性能分析80-82
• 3.5.2 掩膜实验结果分析82-83
• 3.5.3 BMP-LSC的性能分析83-86
• 3.5.4 室外发电系统的性能86-87
• 3.6 本章小结87-88
• 参考文献88-91
• 第4章 总结与展望91-93
• 4.1 总结91
• 4.2 展望91-93
• 致谢93-95
• 攻读学位期间发表的学术论文与专利#@@

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