多曲面槽式聚光光伏發電組件光學性能研究

侯 靜， 常澤輝， 溫 雯， 鄭宏飛， 江 釩

（1.內蒙古建筑職業技術學院機電與暖通工程學院，內蒙古呼和浩特 010070；2.北京理工大學機械與車輛工程學院，北京 100081；3.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古呼和浩特 010051）

聚光光伏發電系統是降低光伏發電成本的有效途徑之一，它通過使用聚光器來提高入射到光伏組件單位面積上的輻照度，這有助于在相同電能負荷下，減少光伏組件所需的面積，用便宜的光學材料代替昂貴的半導體材料，提高了發電系統的成本綜合效益[1]。應用在光伏發電系統上的聚光裝置分為菲涅爾(Fresnel)透鏡折射聚光系統和拋物面反射聚光系統。但是兩者都需要使用成本較高的太陽跟蹤裝置、易集塵、風阻大[2]，而且在較高的聚光比下，常規光伏組件工作溫度超過100℃，導致光電性能提高有限，需要附加生成空冷型或水冷型的電熱聯供系統才能保證系統工作穩定[3-4]。因此免跟蹤、制造成本低、接收角大的多曲面聚光器(CPC)在聚光應用領域具有較好的前景。

多曲面聚光器(CPC)是一種非成像低聚焦的聚光器，它是根據邊緣光學原理設計而成，可將給定接收角范圍內的光線按照理想聚光比匯聚到接收器上。將聚光技術和光伏發電相結合的聚光光伏技術作為未來光伏重要發展方向之一，已經得到廣泛公認。但是CPC的缺點主要體現在高寬比太大，即反射鏡面面積很大，使得聚光光伏技術的復雜程度遠遠超過現有各種光伏發電形式[5]，適當截短CPC可大幅度節省材料，降低制造成本，減少跟蹤裝置對跟蹤精度的要求，我們對文獻[6]中提出的多曲面聚光器進行優化設計，其最大的特點是將對CPC高寬比進行優化,同時將出光口沿對稱軸下移一定設計長度，強化了多曲面聚焦的能力，增大了裝置最大聚光角和最大入射偏角，降低了跟蹤精度要求，尤其對固定式多曲面槽式聚光光伏發電的應用具有參考價值。

國內外研究學者對可應用在光伏發電上的聚光器性能開展了實驗和計算機模擬研究，文獻[7]提出了對聚光光伏系統性能進行分析的方法，通過實驗加以驗證，文獻[8]對聚光光伏技術中的光學模型的建立及相關光熱性能進行了分析計算，文獻[9-11]通過光學分析方法對影響聚光器性能的參數進行了研究，文獻[12-14]對聚光光伏技術中的跟蹤精度做了實驗分析。事實表明，通過對聚光光伏系統的光學性能研究，可從跟蹤策略、成本造價、性能優化上對整體性能加以改善。

1 多曲面槽式聚光光伏發電組件工作原理

本文所設計的多曲面槽式聚光光伏發電系統如圖1所示。它主要由組合拋物面集光器、二次反射平面鏡和光伏組件接收器等組成，它的工作原理如下：平行光束2沿對稱軸方向入射，在最大接收角范圍內的光線，大部分將入射到組合拋物面集光器1上，經反射后匯聚到光伏組件4上。二次平面反射鏡3將光伏組件接收器距離組合拋物面集光器的豎直尺寸增大，目的是延長非正入射光線在聚光器內的光程，增大系統的最大入射偏角，降低聚光器的跟蹤精度。

圖1 多曲面槽式太陽能聚光器

2 系統的設計與結構優化

圖2為本設計的多曲面槽式聚光器的橫截面結構圖，建立如圖所示的x-y坐標系，那么CG和DH分別為兩個大小相同、開口向上的拋物線的一段，f1和f2分別為這兩個拋物線的焦點，它們的方程可分別寫作公式（1）及（2）。

圖2 聚光器的剖面及聚光原理圖

式中：p為焦參數，l為焦點與y軸的水平距離。光伏組件AB必須滿足三個條件：(1)它與x軸的距離必須大于yF(yF=P/2)；（2）它的寬度正好等于l，即|AB|=l，直線CE和DB分別垂直于x軸；（3）進光口外沿光線3要通過光伏組件左邊界點A。

根據上述三個要求，則圖2中D點的縱坐標由式(1)求得：

由于D點的縱坐標應該在其焦點之上，應該要求yD＞P/2，所以有：

直線AH的方程為：

通過上述計算可求得給定聚光比的二次反射平面鏡的長度為：

3 系統建模及性能仿真

在Solidworks軟件中建模，得到三維多曲面槽式聚光光伏發電組件的模型，如圖3所示。模型的幾何和光學參數取：p=l=0.23m，對應這些參數得到的全尺寸模型的開口寬度應該是0.851 4m，組合拋物面部分的高度為0.934 6m。由于全尺寸模型上部曲線幾乎與對稱軸平行，所以在建立模型的時候把拋物面上部截去一部分，使得它的參數如下：開口寬度Φ=0.600m，出光口寬度d=0.23m，聚光比C=2.609，根據上述設計參數，則二次反射平面鏡高度經計算h=0.035m。

圖3 在So lidworks中建立的系統模型

將軟件建模系統導出的IGES格式的聚光系統模型導入光學分析軟件中，進行光線追跡模擬。將所有向內的反射面設置為鋁質材料，設定它的反射率為93%。圖4所示為多曲面槽式聚光光伏組件的光線追跡圖，其中模擬光束為500條，波長為550 nm的平行光束正入射到聚光器的開口平面。從圖4中可見光線在其內表面的分布情況，符合邊緣光學原理，從入口處射進來的光線，首先入射到對應的拋物面上，反射后順向往下傳輸，到達光伏組件接收器上。

圖4 聚光系統的光線追跡圖

4 系統幾何光學效率分析計算

CPC的幾何光學效率是指在不考慮光的衰減，僅考慮入射光的逸出或被遮擋所造成的損失時CPC所具有的光學效率。將入射光看作多條均勻分布的光線，到達吸收體的光線數與進入CPC采光面的光線數之比即為CPC的幾何光學效率。利用光學軟件的“光線追跡”功能來分析接收器的光學效率是簡單而準確的方法[15]。

在實際應用中，由于跟蹤精度或系統結構的原因，不能保證太陽光線總是垂直進光口入射的。尤其對于槽式聚光系統，一般只有單軸跟蹤,甚至是固定放置。所以對太陽光非正入射時的聚光情況進行研究具有重要的意義。

圖5 入射角示意圖

表1 不同入射偏角時光伏組件幾何光學效率變化

圖6 ξr與θr的關系曲線

圖7 聚光中心偏移量隨入射偏角的變化

從圖7可見隨著入射偏角的增大，光伏組件所接受的聚焦光斑的中心逐漸偏離正入射時對應的中心，偏離程度與CPC的高度成正比，按線性增長速度變化。CPC的聚光能力由聚光比的大小來衡量，聚光比越大則匯聚能力越強。而CPC高度與進光口的比值稱為高寬比，是用來衡量裝置穩定性和經濟性好壞的參數，高寬比越小則拋物面面積越小，重心越低，其經濟性和穩定性越好。所以設計合理的CPC，兼顧高寬比和聚光比兩者的綜合因素是很重要的[16]。

5 結論

本文提出一種可提高入射偏角的多曲面槽式聚光光伏發電組件的設計新方法，建立了相應的光學模型，利用光線追跡法和幾何光學法研究模型的光學性能。所設計的多曲面槽式聚光光伏組件受光均勻，在入射偏角不大于2.8°時，聚光器受入射角影響的幾何光學效率ξr=99.81%，在入射偏角為4°時，聚光器的幾何光學效率也能達到94.49%，光伏組件接受的聚焦光斑中心隨入射偏角的增大而逐漸偏離正入射中心，與CPC的高度成正比，按線性增長速度變化。模擬計算結果表明可通過延長出光口到光伏組件距離來實現增大聚光器入射偏角，減小聚光器的高寬比，降低跟蹤精度，提高聚光光伏組件的穩定性和經濟性，這為研究多曲面槽式聚光發電系統的綜合效益提供了參考。

[1]常澤輝，張海瑩，鄭宏飛，等.多曲面槽式聚光太陽電池發電性能研究[J].電源技術,2012,36(10)：1529-1534.

[2]黃國華，施玉川，楊宏，等.常規太陽電池聚光特性實驗[J].太陽能學報,2006，26(1)：19-22.

[3]CHEMISANA D，IBANEZM，ROSELL J I.Characterization of a photovoltaic-thermalmodule for fresnel linear concentrator[J].Energy Conversion and Management,2011,52：3234-3240.

[4]常澤輝，鄭宏飛，侯靜，等.多曲面槽式聚光太陽電池電熱聯供系統性能研究[J].北京理工大學學報，2012，32(9)：915-920.

[5]郭豐.聚光光伏的發展[J].電源技術，2009，33(10)：936-940.

[6]鄭宏飛,陶濤,何開巖，等.多曲面復合聚焦槽式太陽能集熱器的研究[J].工程熱物理學報，2011，32(2)：193-196.

[7]BERNARDO L R，PERERS B，HAKANSSON H，et al.Performance evaluation of low concentrating photovoltaic/thermal systems:A case study from sweden[J].Solar Energy,2011，85：1499-1510.

[8]SOULIOTISM，POULOS Y.Study of the distribution of the absorbed solar radiation on the performance of a CPC-type ICSwater heater[J].Renewable Energy,2008,33:846-858.

[9]鄭宏飛,戴靜,陶濤，等.多曲面槽式太陽能集熱器的光線追跡分析[J].工程熱物理學報,2011，32(10)：1634-1638.

[10]汪飛,隋成華,葉必卿.關于復合拋物面聚光器設計參數的研究[J].光學儀器,2010,32(3):68-72.

[11]劉靈芝,李戩洪.復合拋物面聚光器(CPC)光學分析研究[J].能源技術,2006,27(2)：52-59.

[12]鄭宏飛,陶濤,何開巖，等.多曲面復合聚焦槽式太陽能集熱器的研究[J].工程熱物理學報,2011,32(2)：193-196.

[13]ROSELL J I，VALLVERDU X，LECHO MA，et al.Design and simulation of a low concentrating photovoltaic/thermal system[J].Energy Conversion＆ Management,2005，46：3034-3046.

[14]符慧德,裴剛,季杰，等.槽式聚焦光電/光熱綜合利用系統的性能研究[J].太陽能學報,2010，31(9)：1161-1167.

[15]余雷，王軍，張耀明.內聚光CPC熱管式真空集熱管效率分析[J].太陽能學報，2012，33(8)：1392-1397.

[16]鄭宏飛,何開巖，陶濤.太陽能聚光與高溫集熱技術[M].北京：兵器工業出版社，2010：78-82.