复合抛物面聚光光热光电耦合供能装置性能研究

复合抛物面聚光光热光电耦合供能装置性能研究

翟吉蕾

山东力诺瑞特新能源有限公司 山东 济南 250000

摘要：高效利用太阳能是减小碳排放和降低能耗的有效方法之一。地球表面接收的太阳辐射能大多小于1000W/㎡，难以满足现有工农业用能需求，通过先进的太阳能捕获技术可提高输出热能品位，实现产业化应用。早在1974年，Winston根据边缘光学原理设计的复合抛物面聚光器，有效提高了聚光器内接收体表面的能流密度和输出热能的品位，同时CPC也因其具有接收半角大、可吸收部分散射辐射、对跟踪精度要求低等特点，受到研究人员广泛关注，并对其开展了系列研究，为该技术的实际应用提供了理论参考和试验数据。

关键词：复合抛物面；聚光；太阳能

引言

目前基于CCD的光电传感器、摄像头、数码相机等一般采用有线、串行总线等方式实现数据通信，也有采用WiFi实现无线通信的。对于有基础设施及网络覆盖的生活区、工作区采用有线或无线局域网WiFi方式实现通信即可，但对于野外工作环境恶劣，没有基础设施也没有网络覆盖的区域，很难使用该类传感器。比如野生动物视频采集应用场景中，布线需要高昂的成本，并且施工难度大。

1复合抛物面聚光光热光电耦合供能装置测试系统

复合抛物面聚光光热光电耦合供能装置是在复合抛物面聚光器入光口玻璃盖板下布置由4块光伏组件板背相对组成的两组双面光伏组件，对称布置于装置内，光伏组件表面与玻璃盖板法线平行，长度与装置长度相当。装置东西方向水平放置，入光口正南朝向，可手动调节入光口以保证正午时分太阳光正入射，装置内焦斑位置固定放置内嵌黑色接收体的单层玻璃管。当太阳光线入射偏角小于装置接收半角时，入射光线经装置反射后汇聚到位于其焦斑位置单层玻璃管内，被内嵌于其中的接收体接收，并与循环空气介质换热，达到对循环空气加热升温、对外输出热能的目的，实现复合抛物面聚光光热光电耦合供能装置的聚光集热功能。当太阳光线入射偏角大于装置接收半角时，经装置反射后未汇聚到单层玻璃管内接收体上的入射光线，在逸出装置过程中被光伏组件接收，发生光电转化并对外输出电能，所产生的电能可用于驱动系统中风机等设备。入射太阳光在本装置内既可光热转化也可光电转化，而且2个转化过程高效耦合、自动切换，提高了装置对入射太阳光的接收率及输出能量。与传统复合抛物面聚光器相比，本装置具有以下特点：1）在非跟踪复合抛物面聚光器内实现了太阳能光热与光电转化过程的高效耦合，自动切换，且对复合抛物面聚光器接收正入射光线时的聚光集热性能影响小；2）提高复合抛物面聚光器日输出总能量，延长装置有效运行时间，实现了装置对逸出光线的再利用。

2 CCD光电传感器结构

CCD光电传感器由三部分组成，分别包括：MOS光敏元阵列、读出移位寄存器及无线通信模组[6]。其中，光敏元阵列由成千上万的光敏元组成，一个MOS光敏元的结构，CCD光电耦合器件输出信号是电荷信号，这些电荷信号需要经过电路输出，由读出移位寄存器实现[7]。无线通信模组采用TI的CC2530SOC芯片，该芯片内置8051单片机，集成IEEE802.15.4无线收发功能，采用2.4GHz频率通信，支持ZStack无线通信协议栈。MOS光敏元阵列实现光电转换，将成像的光信号转变为电荷信号，每个光敏元对应一个像素点，多个光敏元对应多个像素，不同像素构成完整的图像[8]。MOS光敏元阵列输出的是电荷信号，需经过电路转换为电压或电流信号，通过读出移位寄存器实现该功能。无线通信模组将生成的数字信号通过无线加密、调制、解调等实现无线自组织组网，并完成数据传输。光敏元的结构包括：电极、耗尽层、势阱及二氧化硅层，其工作原理在下一小节重点说明。读出移位寄存器由氧化物、半导体、电极（每组电极由3个临近的电极构成）和遮光层组成，其工作原理在下一节中详细阐述。

3高电压、大电流信号隔离技术

结合对模拟信号测量系统运行原理的分析,模拟信号测量系统在运行时需要依靠互感隔离器技术来实现降噪或者隔离干扰效果,而互感隔离器的运行原理和方式与隔离变压器运行时基本相同,但是在高电压和较大电流的信号中,电路中隔离技术的运行原理已经变得非常复杂,必须要借助于电流或者是电压的互感器来实现电路中的隔离效果,促进模拟信号检测系统的数据传输和质量,提高电子和电气设备稳定运行。

4工作原理及流程

一个MOS光敏元实现电荷存储时，金属电极端施加正向电压并形成电场，在电场作用下形成一个耗尽区，电子在该区域势能很低，称作“势阱”。当有光线照射到该光敏元时，由于光电效应产生电子空穴对，受电场影响，空穴被电场力排斥出耗尽区，而光电子则被之前产生的势阱捕获，光强度越强势阱捕获的光电子数量越多。CCD器件由成百上千的光敏元组成，每个光敏元形成一个势阱，并捕获一定的光电子，这些被一个势阱捕获的光电子称之为电荷包。在CCD器件内形成成百上千的电荷包，当照射在光敏元上的是图像，就会在光敏元阵列中产生一幅与光照度相关的光生电荷图像，实现从光信号到电信号的转换。为了把产生的电荷信号转变为电流或电压信号，需采用读出移位寄存器部件实现将电荷转变为电流或电压信号，并通过电路输出。在其底部覆盖一层遮光层，以防止其他面带来的外来光线的干扰。一个耦合单元由3个临近的电极组成，3个电极分别添加三相时钟脉冲波ϕ1，ϕ2，ϕ3。三相脉冲同频率，相位相差120°，在不同时刻通过脉冲控制势阱的深度，从而通过电场控制电荷从寄存器的一端逐步转移到另一端，从而实现电荷转移。

5装置建模与光学仿真

本文所选用槽式复合抛物面聚光器结构及参数与前期研究成果相同，装置内双面光伏组件由4块两两板背相对的多晶硅光伏组件组合而成，其尺寸为1000mm×200mm×3.2mm，最大输出功率为25W，开路电压为21.36V，短路电流为2.16A，利用卡槽固定组合而成板背相对的光伏组件，与聚光器集成为一种新型复合抛物面聚光光热光电耦合供能装置。太阳光入射偏角是影响装置聚光集热性能的主要因素之一，利用光学仿真软件可得到不同入射偏角时装置内光线传输情况与装置内各接收体的光线接收情况，通过对光线追迹结果的分析，可为装置进一步优化及应用提供参考，在未对接收体进行优化前。

结束语

本文建立了基于载流子速率方程和微波网络端口特性的PIN光电二极管高频等效模型和TO封装模型，并将其应用于相干探测体系中平衡探测器整体封装中。通过参数模拟及实验验证显示:测试参数与模拟参数曲线近似一致，InGaAs－PIN光电二极管光敏面直径为100μm，结电容为0.47pF，带宽为5GHz，成功应用于空间相干探测体系平衡探测器模块。实验充分证明了模型的有效性和正确性，这对大面积高速光电探测芯片研制及相干体系中平衡探测器的模块开发提供了参考。

参考文献

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[2]陈飞,高崇,杨春曦,李才对,别玉.新型圆形吸收体太阳能复合抛物聚光器面形构建及光学分析[J].光学学报,2019,39(06):81-89.

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