一種基于復合拋物面聚光器的太陽能幕墻模塊結構

莊哲明 許云深

摘? 要：項目組設計了一套選擇性聚光光伏系統及其智能控制APP，能夠廣泛應用于現代城市建筑的外表面，提供一種綜合采光、隔熱與太陽能利用的解決方案。相比于傳統光伏幕墻具有光伏板使用面積減少64%;能夠通過自主調節工作模式，保證光伏板工作溫度不超過50℃，以避免墻體過熱的優勢。

關鍵詞：模塊化;聚光光伏系統;復合拋物面聚光器;太陽能建筑一體化

中圖分類號：TM919 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）05-0011-02

1 研制背景及意義

近年來，隨著人們生活水平提高，各種家電如空調、冰箱等進入越來越多的家庭，高科技成果給人們提供了舒適生活的同時，也導致了建筑能耗的急劇增長，因此如何有效的降低建筑能耗是目前行業關注的焦點之一，而太陽能以其清潔和可持續的特性一直為人們所關注，所以發展出了太陽能與建筑一體化技術。

項目組以太陽能建筑一體化為切入點，根據現有的復合拋物面理論進行產品設計，結合模塊化理念研究得出了兩種極具特色的聚光光伏模塊以及一系列基礎構架模塊，能夠綜合滿足建筑對采光、隔熱與太陽能利用的多方面需求，具有廣闊的應用前景和多樣的功能作用。

2 設計方案

2.1 復合拋物面聚光器

傳統復合拋物面聚光器由兩個對稱的拋物鏡面構成，能反射并聚集輻照至接收體。各拋物面的中心軸與的對稱軸形成的夾角為最大接收半角（θmax），如圖1所示。根據反射原理，當光線入射高度角θ小于θmax時，光線經過一次反射全部入射到兩焦點之間（聚光面）的位置（如圖1中B、C光路）;當入射高度角θ 大于θmax時，光線經過反射后必定無法到達聚光面，而且到達另一鏡面的入射角必定增大，更大于θ。這樣經過多次反射后光線最終被反射出去，而不可能到達聚光面上，（如圖1）中A光路所示。

實體復合拋物面聚光器曲面形狀通常與普通鏡面復合拋物面聚光器相同，二者的不同點在于實體復合拋物面聚光器是由介質折射材料構成的一個實體。由于折射作用，其具有較大的接收半角，可以獲得更大的聚光比。

由于聚光器的接收角由其截面的線型參數決定，在出廠后就固定下來，難以適應實際使用時的不同需求，我們設計了用于調整聚光體傾角的連桿結構，從而改變陽光入射角。實現了適用于不同使用情景的多種工作模式。因此，對于在聚光光伏模塊中使用的θmax=30°，θmax，ac=48.16°，聚光比為2的聚光器而言，可以在連桿結構的控制下吸收或反射任意高度角的太陽光，具有可即時調節的選擇性。

2.2 采光光伏模塊

為了能夠同時滿足太陽能建筑一體化及建筑本身對通透視野、良好采光的需求，基于復合拋物面聚光器以及全反射原理，項目組設計了一種兼顧采光與光伏發電的選擇性聚光光伏模塊。該模塊整體除細條形光伏板外均為透明，能夠與玻璃幕墻建筑或普通建筑的窗體部分融為一體。

采光模塊聚光體材質為折射率n=1.49的普通有機玻璃。根據全反射發生的條件，陽光從聚光體和空氣的交界處射出聚光體時，若光線與聚光體邊界線的夾角小于arcsin（1/1.49）≈40°時會發生全反射，在復合拋物面上經過一次全反射后光能將聚集至底部聚光面的小型光伏板，用于發電。剩余未到達光伏板的光線則會透射進入室內，滿足用戶日常采光需求。每個模塊光伏板使用面積為9×0.5×0.02=0.09（m2），相比普通光伏幕墻的0.25m2減少64%。

圖2 采光光伏模塊效果圖、爆炸圖

2.3 隔熱光伏模塊

由于采光光伏模塊工作時會發生光線折射后透過聚光體的現象，未能充分利用太陽能，也無法通過復合拋物面的選擇性來反射出陽光。因此，項目組設計了一種專門針對不需采光時應用于建筑墻體外側的隔熱光伏模塊。

上述聚光體模塊聚光面為有機玻璃聚光條外的鏡面鍍膜，由于復合拋物面聚光器對入射光的角度有選擇特性，大于接收角的光線最終會反射出去，達到隔熱的效果。相比于采光模塊，此模塊能夠實現對陽光的全部接收或全部反射。

2.4 智能控制系統

基于多線程和藍牙socket的客戶端，扁平化的簡潔主界面設計，使用戶擁有舒適的視覺體驗。在輔助功能方面，遙控界面布局人性化，邏輯清晰，充分考慮用戶需求且易于控制。在人機交互上，項目組采用訊飛語音識別sdk，實現了操作最簡化，提升了用戶的使用流暢性。用戶能夠通過語音控制系統和產品配套的語音識別模塊在室內足不出戶地輕松調整各模塊的工作狀態，實現真正的智能家居。

3 創新點及應用

本產品創新點集中體現在：智能化設計，適用范圍廣，充分考慮使用環境，自主切換工作模式;藝術化外觀，真正融入建筑外墻面，徹底改變傳統光伏幕墻外觀，更具觀賞性與設計感;模塊化結構，依據實際情況可自行組合，維修保養簡便高效、節能環保，支持升級換新;人性化操作，控制方式簡單易行，使用壽命長，市場廣闊。

本聚光光伏模塊創新性地將實體復合拋物面聚光器與雙層幕墻結構相結合，與傳統光伏幕墻相比具有外表美觀、適用性廣、不影響建筑內部采光、光伏板使用量少等優勢;模塊化的設計便于施工和維護，模塊功能豐富多樣;并開發了針對性的智能控制APP和室內語音控制系統，實現智能家居。

產品的設計滿足模塊化施工的要求，施工時將制作好的模塊運送到施工現場，直接進行拼裝。此過程可降低工程量，減少工地廢料，提高資源利用率，相較于傳統施工過程更加先進便捷。同時產品的設計滿足太陽能建筑一體化的要求，在傳統光伏幕墻的基礎上增加其在現代建筑表面的適用性、改進其作為圍護結構的功能多樣性，使得產品能綜合滿足建筑對采光、隔熱與太陽能利用的多方面需求，具有廣泛的應用前景。

圖3 光伏系統在已有建筑改造上的應用

參考文獻：

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