用于光伏玻璃幕墻的聚光系統設計與研究

吳佳瑜，張寧

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

由于全球化石燃料的過度使用，導致二氧化碳排放量增加。隨著城市化的逐步擴大，建筑表皮的消耗也逐漸增大。研究表明，建筑能源消耗占世界能源消耗的32%以上［1］。太陽能作為最重要的可再生能源之一，具有很多可持續發展的優勢，在能源結構轉型中具有重要意義。目前大多數太陽能被轉化為電能使用，而在建筑領域，引入光伏/熱、CPV 系統等可以提高太陽能的使用率。另一方面，在建筑中引入太陽光線可以直接進行采光照明，能夠提供舒適的采光環境的同時，也能直接地降低系統的總成本［2］。

Vu 等人［3］將階梯型光波導板與菲涅耳透鏡相連，將太陽光線進行重新定向，然后進入光纖內，光學效率達到了56%左右。Zheng 等人［4］提出了一種新型的線性聚焦、線性跟蹤的折反射聚光系統，并對其進行了屋頂集成太陽能熱應用分析，光學效率可以達到66%～69%。Gagliano等人［5］對帶有光伏熱裝置的住宅建筑進行能力輸出分析，實驗結果表明，光伏熱建筑表面可產生3 343～2 287 kW·h 的發電量，使生活熱水發電量的能源需求分別減少了55.5% 和43.5%。Wang 等人［6］使用了一種線性菲涅耳裝置，仿真與實驗分析結果表明，當跟蹤誤差小于1 時，系統的光學效率可以達到62%，電池單元的能量轉化率達到14.7%，電池模塊的轉換效率達到13.6%。這些光伏熱都說明了太陽能的可利用性十足。

文中利用三維建模軟件Autodesk Fusion 360提出了單元式光伏玻璃幕墻的理念，以聚光器和太陽能電池為基礎，在幕墻與玻璃背板之間內置了溫濕度、氣體、光照等多種傳感器，可以對建筑內部進行環境調控。重點講述了由平面和拋物面組成的混合式聚光器結構。利用建模軟件Light Tools 以及仿真軟件DIALUX 對聚光系統進行了設計和仿真，仿真結果表明其聚光效率在70%左右，系統效率可達到90%以上。本系統將有效改善室內環境的光、聲、氣，給人們帶來全新的生活和工作體驗。

1 系統方案設計

為解決建筑能耗問題，改善室內環境，建設綠色城市，本文提出一種新型聚光器用于光伏玻璃幕墻［7］。聚光光伏系統整個系統由混合式聚光模塊、供電模塊以及中央控制模塊（包括中央處理器、通風系統、溫濕度控制系統、環境監測系統等）三大部分組成。太陽光經過混合式聚光光學系統后，一部分用于采光照明，另一部分通過導光板進行收集存儲，進行光電轉換，太陽能自動追蹤裝置則保證系統最大程度地接收太陽能。傳感器實時監測室內輻照度變化并根據反饋結果控制LED 進行補償照明，LED 由光伏系統供電，發出的光經過光發散器對室內輻照度進行補充，保證滿足室內照明需求。同時，添加“空氣墻”作為系統的氣體交換通道，配備溫濕度、光照、氣體等多種傳感器。雙層玻璃背板以及單元式光伏玻璃幕墻的多層結構能夠很好地隔絕外界噪音，為人們打造最適宜的生活環境。單元式可拼接結構能夠自由、按需組合，大大地減小了幕墻的生產、安裝和維護成本。系統的工作過程示意圖如圖1 所示，單元式光伏玻璃幕墻的結構如圖2 所示。

圖2 單元式光伏玻璃幕墻結構

太陽光入射后，一部分透過聚光器為室內提供采光照明，另一部分通過聚光器將光線會聚到安裝在單元式光伏玻璃幕墻下端的太陽能電池處，進行光電轉換。由電源控制器智能分配電能，合理確定供電方式，輸出的直流電一方面存儲在蓄電模塊中，可保障應急情況的供電，另一方面經PV 逆變器、變壓器轉化為220 V、50 Hz的交流電并入電網中。系統電氣連接示意圖如圖3 所示。

圖3 系統電氣連接示意圖

本文提出的光伏玻璃幕墻，將自然采光與聚光光伏結構相結合，實現集自然采光與光伏建筑一體化的聚光器模型。旨在實現聚光系統多功能的前提下，完成室內自然照明需求的同時不降低聚光光伏系統的轉化效率。通過仿真實驗論證與對比，詳細分析了影響聚光器性能的幾個參數，如移動距離、寬度等。在提高系統的光電轉化效率的同時實現自然采光照度均勻。

2 聚光模型原理與設計

傳統環形平面聚光器提供高聚光比，但對入射角有嚴格的公差。當入射光偏離垂直入射方向時，聚光效率急劇下降［8］。本文是由平面、拋物面組成的混合式聚光器。聚光光伏玻璃幕墻系統的關鍵部件，初始模型設定成一條過原點的拋物線，如圖4 所示。設拋物線方程為：

圖4 拋物線焦點以上的部分

由拋物線的性質可以知道，平行于y軸的入射光線，將匯聚到拋物線的焦點處。為使光線可以順利進入到導光板中。只保留拋物線焦點以上的實線部分，作為聚光器的基礎結構，該部分可以表示為：

其中，a為拋物線系數。

為了擴大接受角度，提出了一種具有弧形結構的薄板聚光器。圖5 為混合式聚光器的設計過程。首先將已知拋物面A沿一個方向移動一定距離得到第二個拋物面結構A′。從A′中剪掉A，形成弧形結構（陰影部分），作為聚光器的主體結構。在模擬光路過程中，入射到聚光器兩側的邊緣光線會從光波導板的側面射出，同時為便于將雙拋物面結構陣列化，將主聚光器寬度修剪為D。修正該結構的底部，使其附著在導光板上，形成帶有導光板的雙拋結構的聚光器。Yin 等人［9］對雙拋物線結構的聚光器的高度進行了分析，如果聚光模塊高度過小，光線將直接從雙拋物面結構的下表面泄漏。另一方面，聚光模塊高度也不能太大，如果聚光模塊高度過大，光線進入導光板后將無法滿足全內反射條件。為了使光線進入導光板后能夠正常傳輸，聚光模塊高度必須在最小和最大臨界值之間，因此其高度的取值范圍可以通過公式計算：

圖5 聚光器的設計過程

其中，h為聚光器高度；θ為入射角。

在本文中，提出的新型玻璃幕墻聚光系統，目的在于使一部分光線直接進入室內進行采光照明，另一部分光線進行收集用于光伏轉換。因為平行于拋物線y軸線的平行光線照射到聚光器的壁上經反射會匯聚到拋物線焦點處。當最外側光線也能順利到達導光板上，所有光線都能發生全反射匯聚到拋物線的焦點處，進入到導光板不會出現漏光情況。此時計算移動距離最小值為當移動距離變大時，垂直照到聚光器底部的光線將直接進入室內采光，而到達聚光器壁的光線將匯聚隨后進入導光板。這樣就實現了光伏和采光的雙重功能。經過上述分析可知，垂直入射到達拋物面底部的光線將直接進入室內進行采光，所以移動距離過大，會導致聚光效率降低。經過計算移動距離的范圍可以表示為：

其中，l為導光板厚度；d為移動距離。

聚光單元的寬度也是影響聚光效率的另一個重要因素，理想的聚光器應符合基本的保溫避風等應用需求，同時照度均勻且光強較強。但當聚光器寬度較小時，會產生較小的光學聚光比。因此定義選用的單元模塊的最小值為。當單元模塊很寬時，拼接處將出現空隙，影響到光伏玻璃幕墻的實用性。在兩個聚光單元模塊相交處切割，此時不存在拼接間隙，此時的光伏玻璃幕墻更具有實用性。經過計算，保證模塊拼接時無間隙，聚光單元的最大厚度為但此時的聚光器無法保證，所有光線在進入導光板后，在導光板的邊緣都能發生全內反射。所以此時需要對邊緣光線進行分析。假設臨界狀態如圖6 所示。此時A點與O點在Z方向的距離為，當此時邊緣射線對應的入射角β為：

圖6 所有光線內部反射的臨界狀態示意圖（X-Z 視圖）

如果β大于PMMA 臨界角，則此時聚光器的邊緣光也滿足在全內反射的條件，則最大寬度為如果β小于α，則說明邊緣光線無法滿足全內反射的條件，那么此時最大寬度應該是：

其中，α是PMMA 發生全內反射臨界角。

3 仿真與性能分析

光線追跡是分析聚光器性能的重要方法之一。通過光線追跡來分析系統的光學效率、光電增益、接受范圍等光學性能［10］。本文主要是通過改變聚光器的結構來分析系統的接收率、透過率等性能參數。對于光線模擬追跡，首先在Soildworks 中建立基本的結構模型，然后導入到LightTools 中。LightTools 能夠快速準確地分析光線追蹤，同時還為非成像光學提供準確的追跡路徑以及性能分析。建立仿真模型示意圖，如圖7（a）所示。光線從聚光器上表面入射后，部分光線直接透過聚光器底部，從下表面出射后照射到正下方的接收器上（模擬進入房間的光量，定義為透過率）。另一部分光線到達聚光器壁反射后，匯聚到焦點上，然后通過導光板傳輸到導光板的一端進行收集（模擬收集的光量，定義為接收速率）。光線追跡圖如圖7（b）所示，兩個接收器上的照度分布如圖7（c）所示。可以看出，兩個接收器上的光量都很充足且分布均勻。

圖7 建立聚光模塊模型與仿真

為了分析不同情況下聚光器的性能。在控制雙拋物線a值相同，單元模型的高度相同的情況下，通過改變雙拋物線的移動范圍以及聚光單元模塊寬度，得到相對應的接收率和透過率。在a= 0.024、h= 30 mm 時，相對應的產生了寬度與移動距離的極值，在設計初期的光線追跡仿真發現，當入射角偏角大于±3°時，聚光系統的聚光效率會急劇下降至0，因此聚光器的接收范圍為±3°。接下來將對入射偏角為±3°以內入射角進行分析（入射角偏角指在Y-Z平面入射光線與垂直于聚光器上表面的法線的夾角）。從不同入射角的光路分析發現，入射光線進入聚光器的拋物面壁和聚光器底時，光路不同。因此通過仿真對移動距離不同時所構成的雙拋物面結構進行比較。圖8 顯示了不同入射角時35～65 mm的移動距離接收率和透過率的結果。

圖8 不同移動距離的對聚光器的光學性能的影響

結果表明，當入射偏角大時，不同移動距離的聚光模塊的接收率基本都是0，并且有較高的透過率。如入射角在2°時，不同移動距離的接收率都為0。移動距離為50 mm 時，透過率也低于30%，而移動距離為35 mm 的模塊，透過率超過80%。但當入射角度接近垂直入射時，此時聚光模塊具有較高接收率和較低的透過率。以0°入射角為例，移動距離為40 mm 的接收率為74%，透過率為15%。而移動距離為65 mm 時，聚光器的接收率為35%，透過率為40%。

單元模塊的寬度會影響到陣列后的聚光器上表面積大小，在保證雙拋物線結構其他條件相同時，改變聚光單元模塊的寬度，得到接收率和透過率的變化曲線。圖9 顯示在20～70 mm 的單元模塊寬度內接收率和透過率的結果。

圖9 不同單元寬度的聚光器對光學性能的影響

通過光線追跡模擬結果可以看出，不同寬度的單元模塊的接收率和透過率存在差別的同時也存在一些相同特征。如在入射光線偏離較大時，不同寬度的單元模塊都具有較低的接收率和較高的透過率。當入射偏角為-3°時，大部分的聚光模塊在導光板的接受率接近于0，60 mm和70 mm 寬度的模塊能夠接收到來自導光板的光線。而在垂直入射時，不同模塊的接收率都超過了40%。說明入射角偏離大小，會嚴重影響到整個系統的光學效率。

通常，較大的入射角會出現在太陽高度低、太陽輻射弱的早晚，而較小的入射角出現在太陽高度高、太陽輻射強的中午，所以非常適合新型光伏幕墻應用。即在早上或晚上光線較差時，新型光伏玻璃幕墻允許更多的太陽輻射進入建筑物進行采光。正午光線充足時，它將大部分太陽輻射導向光伏電池，將適當光量的光線進入建筑物內，維持一整天內相對舒適的采光環境。在垂直入射時，透射光線的最大值出現在寬度為60 mm 時，此時的透過率仍低于50%，說明即使在光線充足的正午，光伏玻璃幕墻系統也能有效地減少光線進入，減少眩光等現象。將多余的光線進行收集，而此時的接收率仍高于30%，可以大大減少能源的浪費。

4 系統室內照明仿真測試

為了分析系統對整個室內的光強分布，利用DIALux 軟件建立了一個測試空間，在室內分別采用自然光照明以及LED 輔助照明實現室內的穩定照明，并通過仿真得到的照明效果及光度學分析報表檢驗方案是否符合標準。我國現行的《建筑照明設計標準》中的照明環境照度要求，如表1 所示。

表1 現行建筑照明標準

選擇東經116.4°，北緯39.9°處的夏至日，對光伏玻璃幕墻系統進行室內照明方案設計及分析。假設一個面積為6 m×5 m×3 m 的教室，此房間向南。選擇合適的燈具來代替太陽光向室內提供的光通量，用于顯示室內地面的輻照度分布并評價照度均勻性。利用適當面積的光纖照明系統完成教室的主照明。在建筑屋頂集成了三個光纖照明系統來照亮室內。每個系統的光纖被分成四個更小的光束照亮內部，在仿真測試中共使用12 根光纖束覆蓋30 m2的教室面積。在建立教室模型時首先確定圖紙的長和寬，利用DIALux 模擬照明軟件，添加相應的辦公桌椅以及合適的燈具，分析和評價此時進入室內進行采光照明的太陽光通量，以及進行光伏轉化效率。教室的整體俯視圖如圖10 所示。

圖10 模擬室內環境的整體俯視圖

針對所測試教室，在每個窗上放置20×50 陣列的聚光模塊，假設該系統的追蹤系統是符合預期的。利用DIAlux 軟件模擬，對比教室內不同時刻有聚光光伏系統及無光伏系統的照度情況，包括等照度值的分布及偽色圖。其中偽色圖是為了方便觀察光能的分布情況，按照不同照度值劃分區域并以不同顏色示意，照明效果對比如圖11～13 所示。

圖11 傳統建筑幕墻正午12：00 時采光情況

通過上述三種情況的對比可以看出，在沒有安裝玻璃幕墻的房間里，光線分布非常不均勻，在正午12：00 時，如圖11（a）的等輻照度分布線可以看出，通過窗戶進入到室內的光線較多，并集中在靠近窗戶的一小部分，該區域的等輻照線已經到達了1 000 lx（圖中已用紅色表示），而小區域的過高的集中照射會導致眩光，使人體感到不適。在其他區域的照度較低，并沒有滿足國標所要求的工作面達到300 lx 的照度。對于下午16：00，等照度分布圖如圖12（a），除了靠近窗戶的一列輻照度最高達到了500 lx，教室內大部分區域都不滿足300 lx 的要求。這幾種情況都不滿足學生的學習生活。而對于新型聚光光伏系統，在正午時，為室內提供系統50%的光通量用于采光照明，這樣既減少了過多的光能進入室內引起不適，也將多余的光線收集起來，用于光電轉換，減少光能的損耗。而在下午太陽光線不足時，將之前進行光電轉換的電能用于補償照明以滿足室內的照度需求。從圖13 中可以看出，在具有光伏玻璃幕墻的照明系統在0.75 m高的工作面全天均可達到300 lx 的照度，且照度分布較均勻，工作面的均勻度達到了0.956，滿足了室內照明照度要求。經過仿真得到帶有光伏幕墻的房間的輻照度分析仿真如表2 所示。

表2 輻照度分析結果

圖12 傳統建筑幕墻下午16：00 時采光情況

圖13 新型光伏幕墻全天的采光情況

根據當地實際天氣情況，對于傳統玻璃房，在正午的情況下，從窗戶向室內投射的照度約為170 klx，會引起人眼的不適感，而采用光伏玻璃幕墻系統可使室內照度更加均勻，提高采光舒適度，減少了室內眩目等現象。同時將多余的光線進行匯聚收集，進行光電轉換以及光纖傳輸，大大提高了太陽能的利用率。在提高采光舒適度的同時避免了由于陽光過剩所造成的能源浪費。

系統的經濟效益也是可觀的。這種設計的成本主要是初期加工成本，使用壽命可達30 年，投入使用后，這一成本將大大降低。如果采用這種設計，當聚光器的聚光效率為70%時，一年接收的太陽總輻射量為4 016.6 MJ/m2，功率為1 157.2 KWH/m2。如果采用CIS 薄膜太陽能電池，平均轉換效率為20%，則本設計一年單位面積發電量為231.4 KWH/m2。因此，在使用壽命（30 年）內的總發電量為6 943.2 KWH/m2。按照0.7/KWH元的電價計算，單位面積一年節電161.9 元/m2。在使用壽命（30 年）內可節省電費4 859.4 元/m2。此外，使用壽命內累計減排效益為220.046 46/m2。綜上所述，本設計在一個生命周期內的總收益為6 301.646 4 元/m2。對于1 000 m2建筑面積，本設計在一個生命周期內可節約標準煤約1 060 t，累計減少CO2770 t 和SO22 t，總效益約507 萬元。因此，這項工作的節能減排效果顯著。

5 結論

本文介紹了一種基于新型聚光器的光伏玻璃幕墻設計來代替傳統的透明玻璃，實現了采光和光伏發電的多功能。聚光器主要是利用拋物面反射來匯聚太陽光，實現光伏轉換，而沒有到達拋物面的光線則直接通過聚光器底部進入室內。

論文中詳細分析了一些參數對聚光器光學性能的影響，通過光線追蹤仿真對聚光器的各項指標（如聚光器的高度、聚光單元模塊的寬度、雙拋物線的移動距離）進行了比較分析。為了驗證所選模型的可靠性，模擬了室內采光照明，與傳統幕墻進行對比研究，顯示了不同條件下的室內照度分布圖?？梢缘贸鲆韵陆Y論：

（1）本文所提出的聚光器垂直入射時的聚光效率達到了70%，系統的效率也在90%，在保持高光學效率的同時改善接收器上能量分布的均勻性。

（2）與傳統的玻璃幕墻相比［11］，所提出的設計方法能夠顯著地改善光伏與采光不均衡的問題，當光線較差時，更多的太陽輻射可以進入建筑物進行照明。當光線充足時，適當的部分光線被照射到建筑中，剩余的太陽輻射被重新定向到光伏電池中，以保持一個舒適的照明環境，具有很好的研究前景。

（3）系統的單元模塊體積小、自由度高，可安裝在各種建筑中。整體拼接結構可按需生產，便于生產、安裝。這有利于提高系統穩定性和降低維護成本。

但目前研究的玻璃幕墻仍存在一些不足，比如光照條件相對有限。研究只針對晴天和陰天進行，沒有考慮雨天等惡劣天氣。當天氣條件較差時，聚光的光學特性會受到很大的影響，與現有分析結果有很大的不同，需要分別進行分析和討論。此外，還缺乏對仿真結果的誤差分析。因此，在未來的研究中，將考慮上述因素并進行優化研究。