一种聚光光伏高效发电装置及其相应控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种聚光光伏高效发电装置及其相应控制方法。

背景技术

太阳能光伏发电量和装机量近年来稳步提升，但是当前光伏发电仍旧存在发电效率不高的技术瓶颈，对光伏发电进一步发展造成限制，现有聚光装置多会导致能量接收侧能流密度分布不均，这对聚光光伏电池发电性能造成影响，其原因在于，光伏电池发电效率受其两端电压影响，其效率随电压增加先增加后减小，存在最优的工况点，即是使光伏发电最优的电压点。

现有技术(CN105577104A)公开了一种太阳能聚光光伏发电系统，并具体公开了聚光光伏发电单元、若干合页以及若干电动液压伸缩柱，每行安装一根齿条，一个线性电机，一个控制器；上述现有技术使用单一控制器控制光伏电池板总体进行最优功率点跟踪，但是对于该电池板而言，不同位置对应能流密度不同，工作温度不同，所对应的最优工作电压并不相同，在同一控制器下最终选定的工作点，事实上是光伏电池板不同区域间的相互妥协，光伏电池板总体效率因之下降。

为此，本发明要解决的技术问题为：由于光伏电池板不同位置对应能流密度不同，工作温度不同，所对应的最优工作电压并不相同，使用单一控制器控制光伏电池板总体，在同一控制器下选定的工作电压并不是每个光伏板电池的最佳电压，发电效率低下。

发明内容

为解决由于光伏电池板不同位置对应能流密度不同，工作温度不同，所对应的最优工作电压并不相同，使用单一控制器控制光伏电池板总体，在同一控制器下选定的工作电压并不是每个光伏板电池的最佳电压，发电效率低下的技术问题，本发明提供一种聚光光伏高效发电装置及其相应控制方法。

具体方案如下：

一种聚光光伏高效发电装置，包括反射聚光部件、复合光伏电池板和控制器；所述的复合光伏电池板连接控制器，控制器控制复合光伏电池板两端的电压；所述的反射聚光部件两端为抛物面结构，底部聚光接收面设置水平，反射聚光部件依据太阳辐射方向调整，接收太阳辐射并将之聚焦于聚光接收面；所述的复合光伏电池板设置在反射聚光部件的聚光接收面，接收反射聚光部件聚焦的不同能流密度的太阳辐射能量，将其转换为电能。

所述的反射聚光部件为复合抛物面聚光器，所述的复合光伏电池板为单晶硅光伏电池板。

所述的复合光伏电池板包括三块独立的光伏电池板，设置有多个控制器，每块独立的光伏电池板均连接对应的控制器。

多个聚光光伏发电装置所组成的发电场内，一个控制器控制多个聚光光伏发电装置中工作在相同区域的光伏电池板。

一种聚光光伏高效发电装置控制方法，具体步骤如下：

S1：确立反射聚光装置的结构参数和入射角度，选定典型日的特定时刻作为典型时刻；

S2：构建复合抛物面聚光器的几何模型，基于该模型用蒙特卡洛光学模拟方法开展模拟，并基于模拟结果，得出其聚光接收面的能流密度分布，以及光线被复合抛物抛物面聚光器聚焦之前的基准能流密度数值，将聚光接收面能流密度分布与基础能流密度数值相除，得出复合抛物面聚光器聚光后的相对能流密度分布，相对能流密度指反射聚光部件聚光后接收侧能流密度与原先未聚光条件下的能流密度布置；

S3：依据得到的相对能流密度对反射聚光部件聚光接收面的区域予以划分，能流密度接近且相邻归为同一区域，能流密度差距较大或者不相连则不归为同一区域；

S4：基于所划分区域，确立复合光伏电池板布置方案，即复合光伏电池板中，不同电池板与所划定区域一一对应，复合光伏电池板中不同电池板在各自控制器控制下，在其各自最大功率点运行。

本发明的有益效果为：

本发明依据反射聚光部件的聚光能流密度分布，对光伏电池板进行重构，将不同能流密度的太阳辐射在各自独立的光伏电池板分别转化，避免了不同能流密度太阳辐射的相互影响，借助对聚光光伏装置中光伏电池板开展结构优化和控制调整，实现太阳能光伏电池板利用效率提升，通过不同控制器对其对应的光伏电池板分别调控，使其工作于其最优工况点，提高了光伏电池板的发电效率。

附图说明

图1为光伏电池在不同能流密度和不同工作温度下的功率-电压变化曲线示意图。

图2为本发明聚光光伏装置的结构示意图。

图3为本发明复合光伏电池板结构示意图。

图4为本发明聚光光伏装置的能流密度分布图和复合光伏电池板划分示意图。

图5为光伏电池微元能量示意图。

图6为光伏电池微元结构示意图。

其中，1是复合抛物面聚光器，2是复合光伏电池板

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2和图3所示，一种聚光光伏高效发电装置，包括反射聚光部件、复合光伏电池板2和控制器；所述的复合光伏电池板2连接控制器，控制器控制复合光伏电池板2两端的电压；所述的反射聚光部件两端为抛物面结构，底部聚光接收面设置水平，反射聚光部件依据太阳辐射方向调整，接收太阳辐射并将之聚焦于聚光接收面；所述的复合光伏电池板2设置在反射聚光部件的聚光接收面，接收反射聚光部件聚焦的不同能流密度的太阳辐射能量，将其转换为电能。

所述的反射聚光部件为复合抛物面聚光器1，所述的复合光伏电池板2为单晶硅光伏电池板。

所述的复合光伏电池板2包括三块独立的光伏电池板，如图3所示，箭头上面为三块独立的光伏电池板示意图，设置有多个控制器，每块独立的光伏电池板均连接各自对应的控制器，光伏电池板在各自对应的控制器控制下，将接收的不同能流密度的太阳光分别利用，转换为电能。

不同控制器调节各自对应的光伏电池板两端电压，使对应的光伏电池板工作于能流密度和温度条件下的最佳功率点电压，此时光伏电池板发电效率达到最高。

如图2所示，多个聚光光伏发电装置所组成的发电场内，一个控制器可对应多个复合光伏电池板中工作在相同区域的光伏电池板，实现一个控制器对多个工作在相同区域的光伏电池板的整体控制。

如图1所示为光伏电池在不同能流密度和不同工作温度下的功率-电压变化曲线示意图，光伏电池的发电功率在不同温度、不同能流密度和不同工作电压条件下的发电功率均不同，即温度越高，光伏电池的发电功率越低；能流密度越高，光伏电池的发电功率越高；光伏电池两端电压越高，光伏电池的发电功率先升高后降低，存在最优的工作电压。

复合光伏电池板内，多个独立光伏电池板的布置方案，依据反射聚光部件聚光后的典型聚光能流密度分布确定，以保证不同能流密度辐射能量和电池板的形成对应。

具体的布置方案步骤如下：

S1：确立反射聚光部件的结构参数和入射角度，选定典型日的特定时刻作为典型时刻，可以是春分/秋分等典型日的特定时刻，所选定的聚光光伏装置的复合抛物面聚光器1的截取聚光比定为4，截取比为0.05，复合抛物面聚光器1两端的抛物面上端开口宽度为600mm，复合抛物面聚光器1两端的抛物面下端聚光接收面(底部水平位置)开口宽度为150mm，光伏发电装置纵向长度为1000mm；

S2：基于步骤S1的参数，在Tracepro光学模拟软件内构建复合抛物面聚光器1的几何模型，基于该模型用蒙特卡洛光学模拟方法开展相应模拟，并基于模拟结果，得出其聚光接收面的能流密度分布，以及光线被复合抛物抛物面聚光器1聚焦之前的基准能流密度数值，将聚光接收面能流密度分布与基础能流密度数值相除，得出复合抛物面聚光器1聚光后的相对能流密度分布，相对能流密度指反射聚光部件聚光后接收侧能流密度与原先未聚光条件下的能流密度布置；

S3：依据得到的相对能流密度对反射聚光部件聚光接收面的区域予以划分，能流密度接近且相邻归为同一区域，能流密度差距较大或者不相连则不归为同一区域；即复合光伏电池2被划分为三个区域，分别对应的位置为-75～-22.5mm、-22.5～22.5mm以及22.5～75mm，如图4所示为本发明聚光光伏装置的能流密度分布图和复合光伏电池板划分示意图；

S4：基于所划分区域，确立复合光伏电池板布置方案，即复合光伏电池板中，不同电池板与所划定区域一一对应，复合光伏电池板中不同电池板在各自控制器控制下，在其各自最大功率点运行。

基于所设定方案，采用AM1.5下标准太阳光谱数据，构建聚光光伏电池模型，过程如下：

聚光光伏电池模型处处聚光能流密度并不一致，基于有限元思想构建，将其分为多个微元，每个微元按照均匀能流密度输入计算，并考虑不同微元之间的能流传递，如图5和图6所示，从图中可看出，每个光伏电池微元接收的总能量E

E

其中，E

该光伏电池微元与上下空气之间的对流及辐射换热量Q

其中，h

该光伏电池微元与附件电池微元之间的换热量Q

Q

其中，Q

该光伏电池微元发电量E

E

其中，V为负载端电压，J

短路电流J

其中，A

暗电流J

其中，J

由式(8)～(12)及图1可知，光伏电池发电量与其两侧电压相关，存在最高发电量对应的最佳电压，基于所设定的光伏区域划分，控制器分别控制其两端电压，获得所构建的聚光光伏电池模型的最大功率条件下对应的发电效率，计算得到发电效率为20.5％；与之相比，传统一体化划分，在本模型中计算，所得的最大发电效率为18.9％，由此得知，本方法可将发电效率提升1.6个百分点，效率相对提升达到8.46％，提升效果明显。

本发明依据反射聚光部件的聚光能流密度分布，对光伏电池板进行重构，将不同能流密度的太阳辐射在各自独立的光伏电池板分别转化，避免了不同能流密度太阳辐射的相互影响，借助对聚光光伏装置中光伏电池板开展结构优化和控制调整，实现太阳能光伏电池板利用效率提升，通过不同控制器对其对应的光伏电池板分别调控，使其工作于其最优工况点，提高了光伏电池板的发电效率。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。