等光強分布的槽式反射聚光器的設計

馬保宏

（1.河西學院物理與機電工程學院；2.河西學院新能源研究所，甘肅 張掖 734000）

1 引言

聚光光伏發電技術因其可以提高太陽能電池表面的輻射功率密度，進而提高單位面積太陽能電池的輸出功率，降低光伏發電成本，具有較好的應用前景［1-5］.聚光光伏系統對光輻照度均勻性有較高要求［6，7］，很多研究小組已對聚光器進行優化設計，以改善平面接收器的能流均勻性［8-11］.顏健等對拋物碟式聚光器中各鏡面單元進行優化布置以提高能流均勻性.Meng等［9］利用基于矢量的自由曲面方法進行反射式聚光器鏡面設計，該設計顯著提升了目標接收器（圓形或矩形平面接收器）的聚焦能流均勻性；黃啟祿等提出利用旋轉對稱二次曲面反射鏡產生均勻的方形光斑［10］.江守利等提出了等光強分布的折平板聚光系統［12］，該系統采用平板玻璃鏡反射聚光，雖然可以獲得均勻分布的輻射能流密度，但是系統所需反射板的數量、寬度、傾角及坐標位置的計算過程相當繁瑣.本文根據能量守恒和幾何光學的基本原理，設計了一種等光強分布的槽式反射聚光器，提出了反射面的柱面方程，理論研究了反射柱面的性質和聚光器幾何參數的特點.

2 聚光器設計

圖1 聚光器的光路分析圖

3 結果討論

3.1 光路圖驗證

對（7）式，取聚光比為2，聚光比的倒數k 為0.5，太陽能吸收接受面的位置Y 為2m，半寬為1m，任意常數c在初始條件y|x=0=0 下的值為3.25，做出聚光器的剖面曲線，然后按平面鏡反射原理進行驗證，得到的光路驗證如圖2所示.由圖2可知，垂直于x軸入射的平行太陽光經反射面AB部分反射，在平面光伏電池的下表面得到能流密度均勻分布的反射光.

圖2 聚光器的光路驗證圖

圖3 平面光伏電池的半寬對反射面面型結構的影響

3.2 聚光器的反射柱面

圖4 平面光伏電池的位置對反射面面型結構的影響

圖5 聚光比對反射面面型結構的影響

3.3 聚光器的幾何參數

圖6給出平面光伏電池的位置、聚光比對平面光伏電池最大半寬的影響，圖中曲線1、2、3、4分別對應平面光伏電池的位置是4m、6m、8m和10m.由圖6可以看出，平面光伏電池的位置越高，對應的最大半寬越大；平面光伏電池的位置一定時，聚光比越大，其最大半寬越小.對圖中曲線進行擬合發現，聚光比與平面光伏電池的最大半寬之間呈反比例函數關系，對應曲線1、2、3、4擬合函數分別為

圖6 聚光比、平面光伏電池的位置與平面光伏電池最大半寬之間的關系

圖7 聚光比、平面光伏電池的位置與反射面最大半寬之間的關系

圖8 平面光伏電池的位置與反射柱面最大半寬之間的線性關系

具體設計時需要計算每塊鏡片的寬度、安裝傾角和坐標位置［12］.本文所設計的聚光器其反射面連續光滑，開口寬度是625mm，設計時只需要將平面光伏電池的半寬、位置和聚光比帶入反射柱面的參數方程即可.

4 結論

本文設計了一種能流密度均勻分布的槽式反射聚光器，提出了反射柱面的曲面方程，理論研究了聚光器幾何參數的特點和反射柱面的性質.研究結果表明：1）反射柱面的剖面曲線呈凹曲線，其切線的斜率單調遞增；2）聚光比、平面光伏電池的半寬和位置均會影響反射柱面的面型結構.3）在聚光比和平面光伏電池的位置確定的情況下，平面光伏電池和反射柱面存在最大半寬.當聚光比一定時，槽式反射面的最大半寬與平面光伏電池的位置呈線性關系.當平面光伏電池的位置一定時，平面光伏電池和槽式反射面的最大半寬均與聚光比有關.隨聚光比增大，平面光伏電池的最大半寬減小，二者之間呈反比例函數關系；槽式反射面的最大半寬先增大，達到一極值后緩慢減小.此外，與等光強分布的折平板聚光器相比，本文所設計的聚光器其反射面連續光滑，且可以避免反射面上每塊鏡片的寬度、安裝傾角和坐標位置等繁瑣的計算過程.