聚光跟蹤一體化光伏組件設計與性能分析

張 臻，吳 軍，賈 朋，邵 璽，祝曾偉

(1.河海大學機電工程學院，江蘇常州213022；2.常州天合光能有限公司光伏科學與技術國家重點實驗室，江蘇常州213031)

太陽能光伏發電是解決環境和能源問題的主要途徑之一。由于光伏發電成本較高阻礙了大規模開發應用，世界各國一直在探索降低成本的途徑。降低光伏發電成本的途徑主要有：(1)從太陽電池本身入手，采用新工藝、新材料、新技術，提高太陽電池效率，降低單位功率太陽電池成本；(2)從光伏發電系統入手，引入聚光器，提高入射到太陽電池單位面積上的太陽輻射能量流密度，用最小的太陽電池面積獲取盡可能多的電能。與聚光器材料相比，單位面積的太陽電池成本仍然非常高，采用聚光方式減少太陽電池的用量，對降低光伏發電的成本仍有較大的潛力。

聚光系統結構種類較多，根據聚光形式的不同可分為線聚光系統和點聚光系統。對于線性聚光來說，著名的有西班牙EUCLIDES系統，德國的Fraunhofer太陽能系統研究所(ISE)的BICON系統等。對于點聚光系統來說，美國的Amonix公司，西班牙的Isofoton公司等都有產品已經商業化。西班牙的EUCLIDES系統所使用的聚光電池為垂直多結電池。德國的BICON聚光系統采用拋物面鏡將陽光匯聚到接受器上，通過加裝二次聚光器(CPC)可以實現300倍的高聚光比。聚光系統具備降低光伏發電系統成本的潛力，一直以來受到研究人員的關注。對于高倍(幾十到數百倍)聚光系統，多采用多結高效電池。對于一般的常規晶體硅太陽電池只能在幾倍的光強下取得較好的收益，若想太陽電池工作在更高的光強下，必須采取措施降低太陽電池的串聯電阻，串聯電阻越小，聚光系統的性能越好，但這樣勢必會增加太陽電池的成本，因此并不是光強越高越好。對于晶體硅太陽電池，低倍聚光是降低系統成本的解決方案之一。低倍(2～10倍)線性聚光系統在實際使用過程中，具有對太陽跟蹤精度、電池散熱效果等要求相對較低，系統可靠性較高的優點，具有較好的市場前景[1-4]。

對于聚光系統，怎樣跟蹤太陽，使其在任何季節任何時刻都可以最大量捕捉到輻照達到聚光效果是設計的關鍵。典型聚光系統需要另外配備單軸或雙軸跟蹤裝置，此外，也有部分專利介紹了新型聚光系統設計與概念，可以采用免傳動部件的太陽跟蹤方式。2008年，美國John George Pender在其專利“無運動太陽跟蹤聚光器”中提出的免傳動部件的跟蹤聚光光伏系統[5-6]采用特殊材料制作透鏡，通過改變施加在透鏡兩端的電壓可以改變透鏡的折射率，根據光線入射角調節透鏡折射率，使斜射光線經過該透鏡的折射后始終可以與透鏡方向垂直。將該透鏡與菲涅爾透鏡或聚光反射鏡結合可以達到無傳動部件跟蹤太陽的聚光效果。這種聚光系統無需傳動部件，系統可靠性相對較高，但由于可變折射率透鏡的材料成本較高且結構相對復雜，其經濟性優勢不明顯。本文介紹了由自行設計的低倍線性聚光用折射式聚光器，并對其原理及聚光太陽電池組件的設計進行了分析。

1 聚光光伏組件設計

光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽光匯聚到太陽電池上。按光學類型劃分，常用的聚光系統通常分為折射聚光系統和反射聚光系統。折射式太陽光伏聚光應用中，菲涅爾透鏡被當作理想之選，它的聚焦方式可以是點聚焦，也可以是線聚焦，適合中高倍聚光(幾十倍到幾百倍)[7]。但是傳統菲涅爾透鏡存在難以實現高接收角，聚光后光強分布不均勻和易老化變形等問題。針對這一情況，低倍線性太陽電池組件設計首次采用轉移光線的透鏡，避免局部高溫問題。如圖1所示，在該光伏組件中，太陽電池之間設計有較大的間距，透鏡將本應照射到組件空白處的光線轉移到太陽電池部分，從而達到聚光效果。由于透鏡僅僅將光線轉移，不存在點或線聚光，通過透鏡的光線均勻分布在太陽電池組件表面，在入射角偏移時，不會存在局部過熱現象。聚光組件可以做到較薄，采用78 mm×78 mm(1/4片156 mm×156 mm電池)電池片，組件厚度在50 mm左右。該聚光一體化太陽電池組件聚光比一般為1～5，透鏡采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或低鐵玻璃。由于該聚光組件中電池間距較大且透鏡之間有良好的通風通道，適合于自然冷卻。組件可以通過平移與旋轉透鏡達到跟蹤太陽的效果。

圖1 聚光跟蹤一體化組件結構示意圖

目前聚光系統普遍存在兩個問題：首先，跟蹤構件未與太陽電池組件及聚光器集成在一起，現場安裝與調試復雜，且需要旋轉聚光太陽電池組件以跟蹤太陽，不適合與一般民用建筑斜面屋頂結合；其次，對于點聚焦或線聚焦系統，在太陽跟蹤失效時，易出現局部溫度過高而損壞太陽電池組件情況[8-10]。針對這兩點，本設計將轉移光線的棱鏡組合應用于低倍線性聚光太陽電池組件，結構示意如圖1所示。該組件可以通過沿設定軌跡移動棱鏡組達到聚光與跟蹤太陽效果，由于單個棱鏡組相對面積較小，易做到高抗風性能。同時由于棱鏡組僅僅將太陽輻照轉移，不存在聚光焦點(或線)，通過棱鏡組的輻照均勻分布在太陽電池組件表面，即使在輻照入射角偏移且太陽跟蹤系統失效情況下，仍不會形成強光點或強光線造成嚴重局部過熱損壞太陽電池組件。聚光器(棱鏡組)、跟蹤系統與太陽電池組件一體化可以大大減少現場裝配人力成本，并且由于不需要旋轉整個太陽電池組件，與其他聚光系統相比，這種新型多棱鏡聚光跟蹤一體化太陽電池組件(以下簡稱聚光跟蹤一體化組件)適合于民用建筑屋頂應用，可以做到光伏建筑一體化(BIPV)。

二倍折射式聚光器光強分布與光線軌跡如圖2～圖3所示，PMMA的折射率為1.49，光線從PMMA入射到空氣中時，產生全反射的臨界角為：arcsin(1/1.49)＝42.2°。當入射角大于42.2°時，可以利用全反射達到光線轉移的效果。采用Fred軟件模擬光線輸入發現，透鏡為正三角形時可以達到較好的效果。如圖3所示，當光線垂直入射透鏡上表面時，經過透鏡折射后的光線有1/2到達電池表面，由圖3可知：

圖2 聚光一體化組件光強分布示意圖

圖3 二倍折射式聚光器光線軌跡示意圖

因此透鏡的寬度等于單個電池的寬度。如圖2所示，這時光線1與光線2各有1/2的光線經過透鏡1與透鏡2達到電池1的表面，加上不經過透鏡直接達到電池1上的光線 (輻照)，從而形成2倍聚光的效果。不考慮透鏡厚度，透鏡距離組件的高度h可表示為：

可以通過減小電池片寬度a(如將單片電池片切割成多片)，來減小透鏡距離組件的高度h。如果使用156 mm×156 mm電池片，h約為

與傳統系統相比，本文提出的聚光跟蹤一體化組件可以將跟蹤構件與聚光器集成在太陽電池組件上。該組件在東西方向通過設計聚光棱鏡組長度大于太陽電池串長度來補償每天早晚時刻的太陽輻照偏移。棱鏡長度L比太陽電池串長度兩端每端長0.5～3倍太陽電池串寬度距離，如對于由單排156 mm×156 mm電池組成的電池串，透鏡為東西方向放置，使每日早9：00到下午3：00不會出現因光線偏移造成太陽電池表面輻照分布不均勻現象，棱鏡長度L比太陽電池串長度長78～468 mm。太陽在一年內在南北回歸線往返，設置春分、秋分時太陽垂直入射于太陽電池組件表面，如圖4所示，南北方向一年中太陽光線最大偏移角度為23.5°。在南北方向上，設置聚光棱鏡組與太陽電池組件傾角(該傾角設計為安裝地點緯度±6°)使春分、秋分時太陽垂直入射于太陽電池組件表面，太陽在南北回歸線往返，入射太陽輻照偏移在±23.5°范圍內。通過沿設計軌跡移動棱鏡組可以跟蹤太陽輻照，使系統始終保持很好的聚光效果。

圖4 太陽輻射示意圖

2 性能模擬分析

基于上述多棱鏡折射式聚光跟蹤一體化光伏組件設計，選擇聚光器(透鏡)材料PMMA的折射率為1.49，采用光學軟件Fred模擬太陽輻照(平行光線)在不同入射角下經聚光器后的分布情況。為清晰顯示光線經過透鏡折射與反射后的軌跡，聚光器取3個正三角形組成，模擬結果如圖5所示。聚光器取7個正三角形組成時，光線斜角入射情況下，模擬光學效果如圖6所示；設置多排聚光器，太陽輻照斜角入射光學模擬效果如圖7所示。由圖6～圖7可知，若該聚光器設計能適應一定的光學偏移垂直方向，有利于太陽輻照中散射光的利用。通過光學軟件進行的不同透鏡材質、跟蹤方式等模擬，結果表明，如果透鏡材料選擇為折射率1.5的玻璃，仍可以達到同樣的聚光效果。

圖5 Fred軟件模擬二倍折射式聚光器光線分布

圖6 太陽輻照斜角入射光學模擬效果

圖7 太陽輻照斜角入射光學模擬效果(多聚光器)

太陽高度角隨季節變化，光線偏移聚光器垂直方向較大時，直接照射與通過透鏡(不再是全反射)照射在組件表面的輻射光線重合部分很少，組件表面少有光強大于1.2倍入射光強分布帶(強光帶寬度與太陽電池寬度須相近)，因此即使通過平移透鏡也難達到1.2倍以上聚光效果，聚光器需要跟蹤太陽軌跡。采用多個透鏡共用同一軸，整體移動跟蹤太陽，Fred光學模擬效果如圖8所示，該方案聚光效果會受到影響，直接照射與通過透鏡照射在組件表面的輻射光線重合部分相對較少，只能滿足1.4倍左右跟蹤效果。采用單排旋轉透鏡跟蹤太陽軌跡，Fred光學模擬效果如圖9所示，直接照射與通過透鏡照射在組件表面的輻射光線重合較好，此時再平移透鏡可以使光線匯聚在組件的太陽電池部分，達到聚光效果，根據Fred光強分布計算，通過旋轉并平移透鏡可以達到跟蹤效果，入射光線在±23.5°范圍內偏移時，始終保持1.7倍以上的聚光比。

圖8 Fred軟件模擬透鏡整體旋轉跟蹤太陽

圖9 Fred軟件模擬透鏡獨立旋轉跟蹤太陽

3 結論

光線轉移透鏡式低倍聚光跟蹤一體化太陽電池組件設計有效避免了傳統反射式與折射式聚光組件中，電池表面輻照分布不均勻或光聚焦引起的局部高溫問題。Fred光學軟件模擬結果表明，采用PMMA、玻璃等不同透鏡材質，入射光有小角度偏移垂直聚光器方向時，該聚光組件均能達到較好的光學效果；南北向安裝，入射光線在±23.5°范圍內偏移時，該設計的聚光組件通過旋轉與移動透鏡可以跟蹤太陽，2倍幾何聚光比組件實際光學聚光比仍能保持1.7倍以上。該聚光器由于單個透鏡相對面積較小，易做到高抗風性，聚光器、跟蹤系統與太陽電池組件一體化后，可以大大減少現場安裝工作量，且由于太陽電池組件本身不旋轉，非常方便與民用住宅BIPV結構結合。

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