應用于建筑光伏一體化的聚光光伏組件性能研究

常澤輝 文麒麟

（1.內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.廣西恭城瑤族自治縣環境保護監測站，廣西 恭城 542500）

1 引言

建筑光伏一體化技術是在建筑中注入綠色元素，實現建筑物產生能源的一種新概念。國外對太陽能建筑光伏一體化系統的研究已經有較長時間。其建筑光伏的發展是從示范到推廣，從屋頂光伏到與建筑集成，進而將光伏組件作為一種建筑元素融入到建筑材料中。一些發達國家，比較有代表的是德國、日本和美國，已經有了成熟的技術和設計方法[1]。

建筑光伏一體化技術的應用受到了建筑環境、氣候、電力工業結構、政府政策、市場需求和現有工業能力等制約。由于建筑光伏一體化中的光伏組件占地面積少，不需要跟蹤機構，維護費用低，受到了人均土地面積較少國家的青睞，也得到了很多研究學者的關注。T.N. Anderson等[2]用光伏組件代替屋頂瓦片，并在光伏組件下面鋪設換熱管路，利用水將光伏組件工作產生的熱量帶走再次利用，提高了對太陽能的利用效率。Bowden等[3]采用雙面高效光伏組件，利用屋頂傾斜面作為反射面將太陽光反射到光伏組件上發電，減少了光伏組件的直接受光面積，提高了光伏組件有效使用單位面積，同時還保留了原有建筑的形態。我國建筑光伏一體化研究起步較晚，比西方一些發達國家技術落后很多。但近幾年國家發布了一些“光電新政”，有力地推動了我國建筑光伏一體化的發展進程，也出現了一些具有代表性的建筑光伏一體化示范工程，比如：國家體育館示范建筑工程，其中就隱藏一座年發電量97000kWh的光伏電站；上海虹橋鐵路客運站光伏示范工程；首都博物館屋頂太陽能發電示范工程等。

本文中提到的一種應用于建筑光伏一體化的聚光光伏組件具有節省光伏組件使用面積、光線接受角較大、不需要跟蹤系統、單位面積光伏組件輸出功率高等優點。

聚光器的設計對聚光光伏發電的實現起著至關重要的作用。目前，應用于太陽能聚光技術中的聚光器主要有兩種，一種是成像的，一種是非成像的。在非成像聚光器中，以Wiston發明的復合拋物面（CPC）最為典型[4]。傳統的太陽能復合拋物面聚光器都是根據邊緣光學原理或光線追蹤法，由兩條拋物線復合旋轉或平移獲得，非常接近于理想聚光器，能夠將接收角范圍內的入射光線按理想聚光比收集到接受體上。主要優點是能夠收集部分散射光，不需要跟蹤太陽，或只需按季節做適當調整，控制策略簡單，運行方便[5]，這也符合建筑光伏一體化對光伏發電技術的要求。

文獻[6]提出了一種新型鏡像焦點重疊式復合拋物面聚光器，該聚光器結合了傳統的復合拋物面聚光器順向傳光和拋物面聚光器成像聚焦的優點，解決了傳統的復合拋物面聚光器非成像而導致的出光口收集的光分散性大，同時避免了拋物面聚光器中光線逆向反射引起的一些問題[7]。該聚光器將焦點移到聚光拋物面的外側，在聚光凹面內側沒有擋光的物體，所以對光伏組件上的能量處理更加方便靈活。

2 聚光光伏組件的工作原理及建模

聚光光伏組件結構如圖1所示，它主要由新型組合拋物面聚光器、反射平面鏡和光伏組件等組成。它的工作原理如下：平行光束4沿中心軸方向入射，在最大集光半徑內的光，大部分將入射到組合拋物面集光器1上，經反射后入射到反射平面鏡2上，經反射平面鏡內表面反射后匯聚到光伏組件3上。實驗所用的多曲面聚焦槽式聚光器開口寬度為0.55 m，長度為0.45 m，底部槽寬度為0.23 m，采用全鋼結構制成，在反射面上粘貼反射率為93%的鋁板。

圖1 聚光光伏組件示意圖

首先在 SolidWorks軟件中建模，得到三維聚光器的模型，如圖2所示。模型的幾何和光學參數如下：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 0.85m，組合拋物面部分的高度為 0.93m。為了更好地與建筑屋頂結合，提高抗風揭能力，在建設模型的時候把拋物面上部截去一部分，使得它的參數為：入口寬度：d1= 0.55m；出口寬度：d2= 0.23m。

圖2 在Solidworks中建立的聚光器模型

3 聚光光伏組件的光線追跡

在光學分析軟件中將模型導入，設定內表面材料為鋁，反射性質為鏡面反射，反射率為 93%，這樣的設置不存在跟蹤誤差、反射面輪廓誤差和不完美鏡面反射誤差。聚光器內平行光線追跡如圖3所示，光束為10×10線平行光，從圖中可以看到光線在其內表面的運行情況。平行對稱軸入射的光線，全部可以進入聚光器，未射入到拋物面上的光線直接射到光伏組件表面。

圖3 聚光系統光線追跡圖

4 入射光束偏離正入射時仿真數據與實驗結果

理想狀態下，光線會匯聚到焦平面上的光伏組件表面，但是在實際運行中，入射光會存在一定的入射偏角（實際入射光線與正入射光線之間的夾角），加之太陽直射光對地球有一個0.53°的會聚角。這必然導致匯聚效果與理想效果有一定的偏差，焦點由于發生象散，光伏組件表面的焦斑形狀會發生變化，影響聚光電池的工作效率和輸出功率。

改變聚光器正上方面光源的光線入射偏角，對聚光光伏組件的聚光性能進行仿真計算。計算結果如圖4所示，從圖中可以看到：所設計的聚光光伏組件具有較大的入射接收角，當光線最大入射偏角為25°左右時，將有50%的入射光線被光伏組件表面接收。設入射偏角為 0°、入射光輻照度為800W/m2時，太陽電池表面平均接收輻照度為 2088 W/m2，則當入射光線偏角增大到為25°時，太陽電池表面也能接受到1044 W/m2。

圖4 光線透過率隨入射偏角的變化曲線

基于上述聚光光伏組件光線追跡計算結果，在實際天氣條件下，對入射偏角為 0～25°范圍內的固定式聚光光伏組件與平板光伏組件進行對比實驗。實驗地點是北京市，根據入射偏角范圍和秋分時太陽輻射方位角的變化，可以確定實驗測試時間為 10∶05-14∶15。實驗所使用的是商用多晶硅光伏組件，受光面積為0.1035m2，在太陽輻照度為956 W m2、負載為19Ω時輸出電功率為4.3W。

圖5 兩組件輸出電功率比較圖

圖6 兩組件工作溫度比較圖

將聚光光伏組件和非聚光平板光伏組件在相同的太陽輻照度、環境溫度、負載條件下對其工作溫度、輸出電功率進行實驗對比，實驗數據是在兩個發電系統連續工作240分鐘，晴天工況下采集的。聚光光伏組件與非聚光平板光伏組件輸出功率數據如圖5所示，兩組件工作溫度數據比較如圖6所示。從圖5中可以得到，聚光光伏組件最大輸出功率是平板光伏組件的2.03倍，總發電功率是平板光伏組件的2.21倍，實驗結果還說明，所設計的聚光光伏組件還可以接受一部分散射光。從圖6中可以看出，聚光光伏組件最高工作溫度達到了 103.1℃，光伏組件的光電效率與工作溫度成反比，為了保證光伏組件的工作效率和使用壽命，可以將這部分熱量通過水冷或者空冷加以利用，實現建筑的節能減排功能。

5 結論

本文介紹了一種用于建筑光伏一體化的聚光光伏組件，采用直觀的光線追跡分析法，對光線入射偏角影響聚光光伏組件的光學性能進行計算和分析，結果表明：在傳統復合拋物面聚光器（CPC）基礎上設計的聚光光伏組件的有效聚光比為2.39，在最大入射偏角為25°時，進入進光口的光線仍有50%能被光伏組件接收，這也符合建筑光伏一體化中屋頂光伏發電系統少調整或基本不調整的經濟性要求。在典型天氣條件下，通過對聚光光伏組件和非聚光平板光伏組件的對比實驗研究，聚光光伏組件的最大輸出電功率是平板光伏組件的2.03倍，總輸出電功率是平板光伏組件的2.21倍。聚光光伏組件在工作時溫度高達 103.1℃，可以利用光伏熱技術將發電時產生的熱量應用到建筑空調中。

[1] 肖瀟,李德英.太陽能光伏建筑一體化應用現狀及發展趨勢[J].節能,2010,331(2):12-13.

[2] T.N. Anderson, M. Duke, G.L. Morrison et al. Performance of a building integrated photovoltaic/thermal (BIPVT) solar collector [J]. Solar Energy,2009,83∶445-455.

[3] Brian Norton, Philip C,Tapas K et al. Enhancing the performance of building integrated photovoltaics. Solar Energy,2011,85∶1629-1664.

[4] 何開巖,鄭宏飛.一種三維聚光系統的光線追跡與接收器窗口優化[J].廣西大學學報,2010,35(12):1050-1057.

[5] 謝果,鄭宏飛,王海江等.新型槽式太陽能聚光集熱器的研究與試驗[J].可再生能源,2010,28(12):1-5.

[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] 常澤輝,鄭宏飛,侯靜.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): 935-940.