折/反式二次聚光免跟蹤光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高明　盛旺

摘要：為了降低光伏聚光系統(tǒng)對(duì)高精度追日系統(tǒng)的依賴，使聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)了免跟蹤的光伏聚光系統(tǒng)。系統(tǒng)基于折射、反射原理，采用菲涅耳透鏡作為一級(jí)聚光器，拋物面反射鏡作為折/反射式聚光系統(tǒng)的二次聚光器。文章針對(duì)探測(cè)器感光面積為156mm×156mm的多晶硅電池，設(shè)計(jì)了一個(gè)口徑為320mm×320mm、焦距為310mm、4倍聚光的免跟蹤光伏聚光系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；聚光系統(tǒng)；免跟蹤；光伏系統(tǒng)；折射原理；反射原理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

常規(guī)能源在全球范圍的大量消耗，導(dǎo)致全球氣候持續(xù)變暖的問(wèn)題日益嚴(yán)重，環(huán)境不斷惡化，人們開(kāi)始關(guān)注并且越來(lái)越重視清潔新能源之一的太陽(yáng)能。但是太陽(yáng)能到達(dá)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(tǒng)。通過(guò)增加光伏聚光系統(tǒng)太陽(yáng)入射角，使光伏聚光系統(tǒng)在太陽(yáng)赤緯角的變換方向上依然優(yōu)于90%的聚光效率，降低對(duì)跟蹤精度的需求。

1 光伏聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

菲涅耳透鏡為一級(jí)聚光器，拋物面鏡作為二級(jí)聚光器。非垂直入射光入射至聚光系統(tǒng)的一級(jí)聚光器，然后經(jīng)過(guò)一級(jí)聚光器折射至二級(jí)聚光器，最后經(jīng)二次聚光器反射至太陽(yáng)能光伏電池表面，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)接收角的

擴(kuò)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(duì)于一般菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)，焦距和聚光孔徑作為設(shè)計(jì)時(shí)的已知條件，所以對(duì)菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)可通過(guò)已知參量計(jì)算每一個(gè)小楞齒的傾角，直至設(shè)計(jì)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(dá)透鏡左側(cè)平面時(shí)入射角為i1，折射角為i1′，光線穿過(guò)透鏡，到達(dá)右側(cè)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(shí)與菲涅爾透鏡軸線的夾角為u′，則根據(jù)折射定律有：

圖3中，F(xiàn)為入射光線與菲涅爾透鏡軸線的交點(diǎn)，也是折射光學(xué)的物點(diǎn)；f為物距；F′為出射光線與菲涅爾透鏡軸線之間的交點(diǎn)；f′為像點(diǎn)到透鏡平面中心點(diǎn)的距離，即像距。A為入射光線在透鏡平面上的入射點(diǎn)；r為A點(diǎn)到菲涅爾透鏡軸線的距離；B點(diǎn)為出射點(diǎn)，是出射光線與透鏡小斜面的交點(diǎn)，同時(shí)在設(shè)計(jì)中取B點(diǎn)為小斜面的中點(diǎn)；r′為B點(diǎn)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(diǎn)到透鏡平面的距離。

1.2 二級(jí)聚光器的設(shè)計(jì)

二級(jí)聚光器的設(shè)計(jì)是基于費(fèi)馬定理設(shè)計(jì)CPC的邊緣射線法。費(fèi)馬定理（Fermat′s Principle）指出物點(diǎn)到像點(diǎn)之間的所有光線的光學(xué)路徑長(zhǎng)度（optical path length）相等。CPC設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)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(jìn)入聚光器入射口后均可最多經(jīng)過(guò)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(shí)際應(yīng)用上，上下兩個(gè)面的最大入射角大都采用相等的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但是兩個(gè)反光面的最大入射角在原理上可以不同。

基于上文所述設(shè)計(jì)二級(jí)聚光器，如圖5所示：

2 設(shè)計(jì)思路

地球的運(yùn)行分為公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。要提高太陽(yáng)能的利用率，就應(yīng)掌握太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律，使太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。太陽(yáng)赤緯角則是連接太陽(yáng)中心和地球中心的線與赤道平面的夾角，用表示。太陽(yáng)赤緯角實(shí)際上代表的是太陽(yáng)直射點(diǎn)的緯度，其變化規(guī)律如圖6所示。春分后，太陽(yáng)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(dòng)，直至冬至日到達(dá)南回歸線，赤緯角由+23.45°到-23.45°；冬至日后重新向赤道移動(dòng)。故太陽(yáng)赤緯角隨時(shí)間的變化而逐漸變化，且赤緯角的大小與所在地?zé)o關(guān)，只與時(shí)間有關(guān)。

因此，本文通過(guò)擴(kuò)大太陽(yáng)能接收角度，一方面降低了聚光系統(tǒng)對(duì)跟蹤裝置跟蹤精度的要求，可以減少?gòu)?fù)雜的機(jī)械以及傳感系統(tǒng)的使用量，從而造成了經(jīng)費(fèi)的大量支出以及大量的維護(hù)成本；另一方面，當(dāng)接收角度大于±24°，也就是大于太陽(yáng)赤尾角的最大角度α=±24°時(shí)，就可以免除追日系統(tǒng)在二維方向上的控制，因此只使用免跟蹤即可。

傳統(tǒng)光伏聚光系統(tǒng)均是以確定入射角度，也就是垂直入射光線為基礎(chǔ)的條件下設(shè)計(jì)的，所以在使用時(shí)非常依賴高精度的追日系統(tǒng)，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(tǒng)本身的制造以及在惡劣條件下的頻繁維護(hù)都造成了系統(tǒng)的高昂成本。

3 結(jié)果分析

通過(guò)lighttools對(duì)光伏聚光系統(tǒng)建模并優(yōu)化后，分別選取入射光線0°、12°和24°的入射光線進(jìn)行了分析。

3.1 0°入射角照度分析

太陽(yáng)以0°入射角入射到聚光系統(tǒng)，光路圖如圖7所示：

圖7為模擬陽(yáng)光0°入射聚光系統(tǒng)，通過(guò)聚光輻照至太陽(yáng)能電池片上的輻照?qǐng)D。其中入射功率88.1W，最大5835.1W/m2，聚焦范圍內(nèi)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(yáng)以12°入射角入射到聚光系統(tǒng)，為模擬陽(yáng)光12。入射聚光系統(tǒng)，輻照度分析圖。其中入射功率88.1W，最大5780.7W/m2，聚焦范圍內(nèi)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(yáng)以24°入射角入射到聚光系統(tǒng)，光路圖如圖8所示：

圖8為模擬陽(yáng)光24°入射聚光系統(tǒng)，輻照度分析圖。其中入射功率82W，最大12413W/m2，聚焦范圍內(nèi)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(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了口徑為320mm×320mm、焦距為310mm、4倍聚光的免跟蹤光伏聚光系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)增加聚光系統(tǒng)的視場(chǎng)角，降低了光伏聚光系統(tǒng)對(duì)高精度追日系統(tǒng)的依賴，從而降低了光伏系統(tǒng)的安裝以及維護(hù)費(fèi)用。分析結(jié)果表明，在太陽(yáng)光入射角不大于±24°的范圍，本文所設(shè)計(jì)的光伏聚光系統(tǒng)的光伏聚光效率均優(yōu)于90%。

在當(dāng)前我國(guó)土地資源日益緊缺，國(guó)家鼓勵(lì)光伏分布式發(fā)電的大背景下，小模組聚光發(fā)電系統(tǒng)將具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)有限使用面積下獨(dú)立聚光系統(tǒng)的建設(shè)所做的設(shè)計(jì)，為今后小模組溫棚、光伏屋頂?shù)染酃獍l(fā)電與自然光照射互補(bǔ)的光伏應(yīng)用提供了有力的支持。

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作者簡(jiǎn)介：高明，男，陜西西安人，西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院教授，博士，研究方向：光學(xué)設(shè)計(jì)理論及技術(shù)、光電精密測(cè)試技術(shù)、光大氣傳輸理論及技術(shù)。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）