折/反式二次聚光免跟蹤光伏系統設計

高明　盛旺

摘要：為了降低光伏聚光系統對高精度追日系統的依賴，使聚光光伏發電系統的結構更簡單，設計了免跟蹤的光伏聚光系統。系統基于折射、反射原理，采用菲涅耳透鏡作為一級聚光器，拋物面反射鏡作為折/反射式聚光系統的二次聚光器。文章針對探測器感光面積為156mm×156mm的多晶硅電池，設計了一個口徑為320mm×320mm、焦距為310mm、4倍聚光的免跟蹤光伏聚光系統。

關鍵詞：太陽能；聚光系統；免跟蹤；光伏系統；折射原理；反射原理 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN21 文章編號：1009-2374（2016）19-0020-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.010

常規能源在全球范圍的大量消耗，導致全球氣候持續變暖的問題日益嚴重，環境不斷惡化，人們開始關注并且越來越重視清潔新能源之一的太陽能。但是太陽能到達地面的能流密度較低，其峰值為1kW/m2。

本文提出了4倍聚光的免跟蹤光伏系統。通過增加光伏聚光系統太陽入射角，使光伏聚光系統在太陽赤緯角的變換方向上依然優于90%的聚光效率，降低對跟蹤精度的需求。

1 光伏聚光系統設計

菲涅耳透鏡為一級聚光器，拋物面鏡作為二級聚光器。非垂直入射光入射至聚光系統的一級聚光器，然后經過一級聚光器折射至二級聚光器，最后經二次聚光器反射至太陽能光伏電池表面，從而實現太陽接收角的

擴大。

1.1 菲涅耳透鏡

菲涅耳透鏡可以作為一種使透射的入射光折射聚焦的聚光體，如圖1所示：

對于一般菲涅耳透鏡的設計，焦距和聚光孔徑作為設計時的已知條件，所以對菲涅耳透鏡的設計可通過已知參量計算每一個小楞齒的傾角，直至設計至透鏡中心即可得到菲涅耳透鏡。

與菲涅爾透鏡軸線的夾角，到達透鏡左側平面時入射角為i1，折射角為i1′，光線穿過透鏡，到達右側小斜面的光線入射角為i2，折射角為i2′，最后光線射出透鏡時與菲涅爾透鏡軸線的夾角為u′，則根據折射定律有：

圖3中，F為入射光線與菲涅爾透鏡軸線的交點，也是折射光學的物點；f為物距；F′為出射光線與菲涅爾透鏡軸線之間的交點；f′為像點到透鏡平面中心點的距離，即像距。A為入射光線在透鏡平面上的入射點；r為A點到菲涅爾透鏡軸線的距離；B點為出射點，是出射光線與透鏡小斜面的交點，同時在設計中取B點為小斜面的中點；r′為B點到菲涅爾透鏡軸線的距離。B為菲涅爾透鏡的齒距；h為B點到透鏡平面的距離。

1.2 二級聚光器的設計

二級聚光器的設計是基于費馬定理設計CPC的邊緣射線法。費馬定理（Fermat′s Principle）指出物點到像點之間的所有光線的光學路徑長度（optical path length）相等。CPC設計的出發點是希望入射光線即使不是垂直入射聚光器，但只要入射角度在0°到某一最大角度θ之間，入射光線在從進入聚光器入射口后均可最多經過一次反射均可由出射口射出。

如圖4所示事先確定聚光器入口AA′、最大入射角度θ以及出口聚光邊緣B′，就可以得到聚光器的輪廓拋物線。圖4中獲取的為下方的反光面AB，同理可以得到上反光面A'B'，在實際應用上，上下兩個面的最大入射角大都采用相等的對稱結構，但是兩個反光面的最大入射角在原理上可以不同。

基于上文所述設計二級聚光器，如圖5所示：

2 設計思路

地球的運行分為公轉和自轉。要提高太陽能的利用率，就應掌握太陽的運行規律，使太陽能電池板對太陽進行實時跟蹤。太陽赤緯角則是連接太陽中心和地球中心的線與赤道平面的夾角，用表示。太陽赤緯角實際上代表的是太陽直射點的緯度，其變化規律如圖6所示。春分后，太陽移向北回歸線直至夏至日，赤緯角由變化到+23.45°；夏至日后向赤道移動，直至冬至日到達南回歸線，赤緯角由+23.45°到-23.45°；冬至日后重新向赤道移動。故太陽赤緯角隨時間的變化而逐漸變化，且赤緯角的大小與所在地無關，只與時間有關。

因此，本文通過擴大太陽能接收角度，一方面降低了聚光系統對跟蹤裝置跟蹤精度的要求，可以減少復雜的機械以及傳感系統的使用量，從而造成了經費的大量支出以及大量的維護成本；另一方面，當接收角度大于±24°，也就是大于太陽赤尾角的最大角度α=±24°時，就可以免除追日系統在二維方向上的控制，因此只使用免跟蹤即可。

傳統光伏聚光系統均是以確定入射角度，也就是垂直入射光線為基礎的條件下設計的，所以在使用時非常依賴高精度的追日系統，這樣才能在維持特定的入射角度下保證聚光效率，但高精度追日系統本身的制造以及在惡劣條件下的頻繁維護都造成了系統的高昂成本。

3 結果分析

通過lighttools對光伏聚光系統建模并優化后，分別選取入射光線0°、12°和24°的入射光線進行了分析。

3.1 0°入射角照度分析

太陽以0°入射角入射到聚光系統，光路圖如圖7所示：

圖7為模擬陽光0°入射聚光系統，通過聚光輻照至太陽能電池片上的輻照圖。其中入射功率88.1W，最大5835.1W/m2，聚焦范圍內平均3613.9W/m2，接收功率87.9W。能量利用率99.89%，聚光倍率4.2倍。

3.2 12°入射角照度分析

太陽以12°入射角入射到聚光系統，為模擬陽光12。入射聚光系統，輻照度分析圖。其中入射功率88.1W，最大5780.7W/m2，聚焦范圍內平均3492.1W/m2，接收功率85.00W，能量利用率96.3%，聚光倍率4.05倍。

3.3 24°入射角照度分析

太陽以24°入射角入射到聚光系統，光路圖如圖8所示：

圖8為模擬陽光24°入射聚光系統，輻照度分析圖。其中入射功率82W，最大12413W/m2，聚焦范圍內平均3153W/m2，接收功率76.7W，能量利用率92.4%，聚光倍率3.93倍。

4 結語

設計了口徑為320mm×320mm、焦距為310mm、4倍聚光的免跟蹤光伏聚光系統。系統通過增加聚光系統的視場角，降低了光伏聚光系統對高精度追日系統的依賴，從而降低了光伏系統的安裝以及維護費用。分析結果表明，在太陽光入射角不大于±24°的范圍，本文所設計的光伏聚光系統的光伏聚光效率均優于90%。

在當前我國土地資源日益緊缺，國家鼓勵光伏分布式發電的大背景下，小模組聚光發電系統將具有廣闊的應用價值。本文針對有限使用面積下獨立聚光系統的建設所做的設計，為今后小模組溫棚、光伏屋頂等聚光發電與自然光照射互補的光伏應用提供了有力的支持。

參考文獻

[1]王長貴.新能源和可再生能源的現狀和展望[A].太陽

能光伏產業發展論壇論文集[C].2003.

[2]王長貴.開發利用新能源與可再生能源的重大意義

[J].太陽能，2000，（4）.

作者簡介：高明，男，陜西西安人，西安工業大學光電工程學院教授，博士，研究方向：光學設計理論及技術、光電精密測試技術、光大氣傳輸理論及技術。

（責任編輯：黃銀芳）