用于光伏玻璃幕墻的聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

吳佳瑜，張寧

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

由于全球化石燃料的過度使用，導(dǎo)致二氧化碳排放量增加。隨著城市化的逐步擴(kuò)大，建筑表皮的消耗也逐漸增大。研究表明，建筑能源消耗占世界能源消耗的32%以上［1］。太陽(yáng)能作為最重要的可再生能源之一，具有很多可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中具有重要意義。目前大多數(shù)太陽(yáng)能被轉(zhuǎn)化為電能使用，而在建筑領(lǐng)域，引入光伏/熱、CPV 系統(tǒng)等可以提高太陽(yáng)能的使用率。另一方面，在建筑中引入太陽(yáng)光線可以直接進(jìn)行采光照明，能夠提供舒適的采光環(huán)境的同時(shí)，也能直接地降低系統(tǒng)的總成本［2］。

Vu 等人［3］將階梯型光波導(dǎo)板與菲涅耳透鏡相連，將太陽(yáng)光線進(jìn)行重新定向，然后進(jìn)入光纖內(nèi)，光學(xué)效率達(dá)到了56%左右。Zheng 等人［4］提出了一種新型的線性聚焦、線性跟蹤的折反射聚光系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了屋頂集成太陽(yáng)能熱應(yīng)用分析，光學(xué)效率可以達(dá)到66%～69%。Gagliano等人［5］對(duì)帶有光伏熱裝置的住宅建筑進(jìn)行能力輸出分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光伏熱建筑表面可產(chǎn)生3 343～2 287 kW·h 的發(fā)電量，使生活熱水發(fā)電量的能源需求分別減少了55.5% 和43.5%。Wang 等人［6］使用了一種線性菲涅耳裝置，仿真與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，當(dāng)跟蹤誤差小于1 時(shí)，系統(tǒng)的光學(xué)效率可以達(dá)到62%，電池單元的能量轉(zhuǎn)化率達(dá)到14.7%，電池模塊的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.6%。這些光伏熱都說明了太陽(yáng)能的可利用性十足。

文中利用三維建模軟件Autodesk Fusion 360提出了單元式光伏玻璃幕墻的理念，以聚光器和太陽(yáng)能電池為基礎(chǔ)，在幕墻與玻璃背板之間內(nèi)置了溫濕度、氣體、光照等多種傳感器，可以對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行環(huán)境調(diào)控。重點(diǎn)講述了由平面和拋物面組成的混合式聚光器結(jié)構(gòu)。利用建模軟件Light Tools 以及仿真軟件DIALUX 對(duì)聚光系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，仿真結(jié)果表明其聚光效率在70%左右，系統(tǒng)效率可達(dá)到90%以上。本系統(tǒng)將有效改善室內(nèi)環(huán)境的光、聲、氣，給人們帶來全新的生活和工作體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為解決建筑能耗問題，改善室內(nèi)環(huán)境，建設(shè)綠色城市，本文提出一種新型聚光器用于光伏玻璃幕墻［7］。聚光光伏系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)由混合式聚光模塊、供電模塊以及中央控制模塊（包括中央處理器、通風(fēng)系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等）三大部分組成。太陽(yáng)光經(jīng)過混合式聚光光學(xué)系統(tǒng)后，一部分用于采光照明，另一部分通過導(dǎo)光板進(jìn)行收集存儲(chǔ)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤裝置則保證系統(tǒng)最大程度地接收太陽(yáng)能。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)輻照度變化并根據(jù)反饋結(jié)果控制LED 進(jìn)行補(bǔ)償照明，LED 由光伏系統(tǒng)供電，發(fā)出的光經(jīng)過光發(fā)散器對(duì)室內(nèi)輻照度進(jìn)行補(bǔ)充，保證滿足室內(nèi)照明需求。同時(shí)，添加“空氣墻”作為系統(tǒng)的氣體交換通道，配備溫濕度、光照、氣體等多種傳感器。雙層玻璃背板以及單元式光伏玻璃幕墻的多層結(jié)構(gòu)能夠很好地隔絕外界噪音，為人們打造最適宜的生活環(huán)境。單元式可拼接結(jié)構(gòu)能夠自由、按需組合，大大地減小了幕墻的生產(chǎn)、安裝和維護(hù)成本。系統(tǒng)的工作過程示意圖如圖1 所示，單元式光伏玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 單元式光伏玻璃幕墻結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)光入射后，一部分透過聚光器為室內(nèi)提供采光照明，另一部分通過聚光器將光線會(huì)聚到安裝在單元式光伏玻璃幕墻下端的太陽(yáng)能電池處，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。由電源控制器智能分配電能，合理確定供電方式，輸出的直流電一方面存儲(chǔ)在蓄電模塊中，可保障應(yīng)急情況的供電，另一方面經(jīng)PV 逆變器、變壓器轉(zhuǎn)化為220 V、50 Hz的交流電并入電網(wǎng)中。系統(tǒng)電氣連接示意圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)電氣連接示意圖

本文提出的光伏玻璃幕墻，將自然采光與聚光光伏結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)集自然采光與光伏建筑一體化的聚光器模型。旨在實(shí)現(xiàn)聚光系統(tǒng)多功能的前提下，完成室內(nèi)自然照明需求的同時(shí)不降低聚光光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。通過仿真實(shí)驗(yàn)論證與對(duì)比，詳細(xì)分析了影響聚光器性能的幾個(gè)參數(shù)，如移動(dòng)距離、寬度等。在提高系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自然采光照度均勻。

2 聚光模型原理與設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)環(huán)形平面聚光器提供高聚光比，但對(duì)入射角有嚴(yán)格的公差。當(dāng)入射光偏離垂直入射方向時(shí)，聚光效率急劇下降［8］。本文是由平面、拋物面組成的混合式聚光器。聚光光伏玻璃幕墻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，初始模型設(shè)定成一條過原點(diǎn)的拋物線，如圖4 所示。設(shè)拋物線方程為：

圖4 拋物線焦點(diǎn)以上的部分

由拋物線的性質(zhì)可以知道，平行于y軸的入射光線，將匯聚到拋物線的焦點(diǎn)處。為使光線可以順利進(jìn)入到導(dǎo)光板中。只保留拋物線焦點(diǎn)以上的實(shí)線部分，作為聚光器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該部分可以表示為：

其中，a為拋物線系數(shù)。

為了擴(kuò)大接受角度，提出了一種具有弧形結(jié)構(gòu)的薄板聚光器。圖5 為混合式聚光器的設(shè)計(jì)過程。首先將已知拋物面A沿一個(gè)方向移動(dòng)一定距離得到第二個(gè)拋物面結(jié)構(gòu)A′。從A′中剪掉A，形成弧形結(jié)構(gòu)（陰影部分），作為聚光器的主體結(jié)構(gòu)。在模擬光路過程中，入射到聚光器兩側(cè)的邊緣光線會(huì)從光波導(dǎo)板的側(cè)面射出，同時(shí)為便于將雙拋物面結(jié)構(gòu)陣列化，將主聚光器寬度修剪為D。修正該結(jié)構(gòu)的底部，使其附著在導(dǎo)光板上，形成帶有導(dǎo)光板的雙拋結(jié)構(gòu)的聚光器。Yin 等人［9］對(duì)雙拋物線結(jié)構(gòu)的聚光器的高度進(jìn)行了分析，如果聚光模塊高度過小，光線將直接從雙拋物面結(jié)構(gòu)的下表面泄漏。另一方面，聚光模塊高度也不能太大，如果聚光模塊高度過大，光線進(jìn)入導(dǎo)光板后將無(wú)法滿足全內(nèi)反射條件。為了使光線進(jìn)入導(dǎo)光板后能夠正常傳輸，聚光模塊高度必須在最小和最大臨界值之間，因此其高度的取值范圍可以通過公式計(jì)算：

圖5 聚光器的設(shè)計(jì)過程

其中，h為聚光器高度；θ為入射角。

在本文中，提出的新型玻璃幕墻聚光系統(tǒng)，目的在于使一部分光線直接進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行采光照明，另一部分光線進(jìn)行收集用于光伏轉(zhuǎn)換。因?yàn)槠叫杏趻佄锞€y軸線的平行光線照射到聚光器的壁上經(jīng)反射會(huì)匯聚到拋物線焦點(diǎn)處。當(dāng)最外側(cè)光線也能順利到達(dá)導(dǎo)光板上，所有光線都能發(fā)生全反射匯聚到拋物線的焦點(diǎn)處，進(jìn)入到導(dǎo)光板不會(huì)出現(xiàn)漏光情況。此時(shí)計(jì)算移動(dòng)距離最小值為當(dāng)移動(dòng)距離變大時(shí)，垂直照到聚光器底部的光線將直接進(jìn)入室內(nèi)采光，而到達(dá)聚光器壁的光線將匯聚隨后進(jìn)入導(dǎo)光板。這樣就實(shí)現(xiàn)了光伏和采光的雙重功能。經(jīng)過上述分析可知，垂直入射到達(dá)拋物面底部的光線將直接進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行采光，所以移動(dòng)距離過大，會(huì)導(dǎo)致聚光效率降低。經(jīng)過計(jì)算移動(dòng)距離的范圍可以表示為：

其中，l為導(dǎo)光板厚度；d為移動(dòng)距離。

聚光單元的寬度也是影響聚光效率的另一個(gè)重要因素，理想的聚光器應(yīng)符合基本的保溫避風(fēng)等應(yīng)用需求，同時(shí)照度均勻且光強(qiáng)較強(qiáng)。但當(dāng)聚光器寬度較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較小的光學(xué)聚光比。因此定義選用的單元模塊的最小值為。當(dāng)單元模塊很寬時(shí)，拼接處將出現(xiàn)空隙，影響到光伏玻璃幕墻的實(shí)用性。在兩個(gè)聚光單元模塊相交處切割，此時(shí)不存在拼接間隙，此時(shí)的光伏玻璃幕墻更具有實(shí)用性。經(jīng)過計(jì)算，保證模塊拼接時(shí)無(wú)間隙，聚光單元的最大厚度為但此時(shí)的聚光器無(wú)法保證，所有光線在進(jìn)入導(dǎo)光板后，在導(dǎo)光板的邊緣都能發(fā)生全內(nèi)反射。所以此時(shí)需要對(duì)邊緣光線進(jìn)行分析。假設(shè)臨界狀態(tài)如圖6 所示。此時(shí)A點(diǎn)與O點(diǎn)在Z方向的距離為，當(dāng)此時(shí)邊緣射線對(duì)應(yīng)的入射角β為：

圖6 所有光線內(nèi)部反射的臨界狀態(tài)示意圖（X-Z 視圖）

如果β大于PMMA 臨界角，則此時(shí)聚光器的邊緣光也滿足在全內(nèi)反射的條件，則最大寬度為如果β小于α，則說明邊緣光線無(wú)法滿足全內(nèi)反射的條件，那么此時(shí)最大寬度應(yīng)該是：

其中，α是PMMA 發(fā)生全內(nèi)反射臨界角。

3 仿真與性能分析

光線追跡是分析聚光器性能的重要方法之一。通過光線追跡來分析系統(tǒng)的光學(xué)效率、光電增益、接受范圍等光學(xué)性能［10］。本文主要是通過改變聚光器的結(jié)構(gòu)來分析系統(tǒng)的接收率、透過率等性能參數(shù)。對(duì)于光線模擬追跡，首先在Soildworks 中建立基本的結(jié)構(gòu)模型，然后導(dǎo)入到LightTools 中。LightTools 能夠快速準(zhǔn)確地分析光線追蹤，同時(shí)還為非成像光學(xué)提供準(zhǔn)確的追跡路徑以及性能分析。建立仿真模型示意圖，如圖7（a）所示。光線從聚光器上表面入射后，部分光線直接透過聚光器底部，從下表面出射后照射到正下方的接收器上（模擬進(jìn)入房間的光量，定義為透過率）。另一部分光線到達(dá)聚光器壁反射后，匯聚到焦點(diǎn)上，然后通過導(dǎo)光板傳輸?shù)綄?dǎo)光板的一端進(jìn)行收集（模擬收集的光量，定義為接收速率）。光線追跡圖如圖7（b）所示，兩個(gè)接收器上的照度分布如圖7（c）所示。可以看出，兩個(gè)接收器上的光量都很充足且分布均勻。

圖7 建立聚光模塊模型與仿真

為了分析不同情況下聚光器的性能。在控制雙拋物線a值相同，單元模型的高度相同的情況下，通過改變雙拋物線的移動(dòng)范圍以及聚光單元模塊寬度，得到相對(duì)應(yīng)的接收率和透過率。在a= 0.024、h= 30 mm 時(shí)，相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生了寬度與移動(dòng)距離的極值，在設(shè)計(jì)初期的光線追跡仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射角偏角大于±3°時(shí)，聚光系統(tǒng)的聚光效率會(huì)急劇下降至0，因此聚光器的接收范圍為±3°。接下來將對(duì)入射偏角為±3°以內(nèi)入射角進(jìn)行分析（入射角偏角指在Y-Z平面入射光線與垂直于聚光器上表面的法線的夾角）。從不同入射角的光路分析發(fā)現(xiàn)，入射光線進(jìn)入聚光器的拋物面壁和聚光器底時(shí)，光路不同。因此通過仿真對(duì)移動(dòng)距離不同時(shí)所構(gòu)成的雙拋物面結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。圖8 顯示了不同入射角時(shí)35～65 mm的移動(dòng)距離接收率和透過率的結(jié)果。

圖8 不同移動(dòng)距離的對(duì)聚光器的光學(xué)性能的影響

結(jié)果表明，當(dāng)入射偏角大時(shí)，不同移動(dòng)距離的聚光模塊的接收率基本都是0，并且有較高的透過率。如入射角在2°時(shí)，不同移動(dòng)距離的接收率都為0。移動(dòng)距離為50 mm 時(shí)，透過率也低于30%，而移動(dòng)距離為35 mm 的模塊，透過率超過80%。但當(dāng)入射角度接近垂直入射時(shí)，此時(shí)聚光模塊具有較高接收率和較低的透過率。以0°入射角為例，移動(dòng)距離為40 mm 的接收率為74%，透過率為15%。而移動(dòng)距離為65 mm 時(shí)，聚光器的接收率為35%，透過率為40%。

單元模塊的寬度會(huì)影響到陣列后的聚光器上表面積大小，在保證雙拋物線結(jié)構(gòu)其他條件相同時(shí)，改變聚光單元模塊的寬度，得到接收率和透過率的變化曲線。圖9 顯示在20～70 mm 的單元模塊寬度內(nèi)接收率和透過率的結(jié)果。

圖9 不同單元寬度的聚光器對(duì)光學(xué)性能的影響

通過光線追跡模擬結(jié)果可以看出，不同寬度的單元模塊的接收率和透過率存在差別的同時(shí)也存在一些相同特征。如在入射光線偏離較大時(shí)，不同寬度的單元模塊都具有較低的接收率和較高的透過率。當(dāng)入射偏角為-3°時(shí)，大部分的聚光模塊在導(dǎo)光板的接受率接近于0，60 mm和70 mm 寬度的模塊能夠接收到來自導(dǎo)光板的光線。而在垂直入射時(shí)，不同模塊的接收率都超過了40%。說明入射角偏離大小，會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)效率。

通常，較大的入射角會(huì)出現(xiàn)在太陽(yáng)高度低、太陽(yáng)輻射弱的早晚，而較小的入射角出現(xiàn)在太陽(yáng)高度高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)的中午，所以非常適合新型光伏幕墻應(yīng)用。即在早上或晚上光線較差時(shí)，新型光伏玻璃幕墻允許更多的太陽(yáng)輻射進(jìn)入建筑物進(jìn)行采光。正午光線充足時(shí)，它將大部分太陽(yáng)輻射導(dǎo)向光伏電池，將適當(dāng)光量的光線進(jìn)入建筑物內(nèi)，維持一整天內(nèi)相對(duì)舒適的采光環(huán)境。在垂直入射時(shí)，透射光線的最大值出現(xiàn)在寬度為60 mm 時(shí)，此時(shí)的透過率仍低于50%，說明即使在光線充足的正午，光伏玻璃幕墻系統(tǒng)也能有效地減少光線進(jìn)入，減少眩光等現(xiàn)象。將多余的光線進(jìn)行收集，而此時(shí)的接收率仍高于30%，可以大大減少能源的浪費(fèi)。

4 系統(tǒng)室內(nèi)照明仿真測(cè)試

為了分析系統(tǒng)對(duì)整個(gè)室內(nèi)的光強(qiáng)分布，利用DIALux 軟件建立了一個(gè)測(cè)試空間，在室內(nèi)分別采用自然光照明以及LED 輔助照明實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的穩(wěn)定照明，并通過仿真得到的照明效果及光度學(xué)分析報(bào)表檢驗(yàn)方案是否符合標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)現(xiàn)行的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的照明環(huán)境照度要求，如表1 所示。

表1 現(xiàn)行建筑照明標(biāo)準(zhǔn)

選擇東經(jīng)116.4°，北緯39.9°處的夏至日，對(duì)光伏玻璃幕墻系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)照明方案設(shè)計(jì)及分析。假設(shè)一個(gè)面積為6 m×5 m×3 m 的教室，此房間向南。選擇合適的燈具來代替太陽(yáng)光向室內(nèi)提供的光通量，用于顯示室內(nèi)地面的輻照度分布并評(píng)價(jià)照度均勻性。利用適當(dāng)面積的光纖照明系統(tǒng)完成教室的主照明。在建筑屋頂集成了三個(gè)光纖照明系統(tǒng)來照亮室內(nèi)。每個(gè)系統(tǒng)的光纖被分成四個(gè)更小的光束照亮內(nèi)部，在仿真測(cè)試中共使用12 根光纖束覆蓋30 m2的教室面積。在建立教室模型時(shí)首先確定圖紙的長(zhǎng)和寬，利用DIALux 模擬照明軟件，添加相應(yīng)的辦公桌椅以及合適的燈具，分析和評(píng)價(jià)此時(shí)進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行采光照明的太陽(yáng)光通量，以及進(jìn)行光伏轉(zhuǎn)化效率。教室的整體俯視圖如圖10 所示。

圖10 模擬室內(nèi)環(huán)境的整體俯視圖

針對(duì)所測(cè)試教室，在每個(gè)窗上放置20×50 陣列的聚光模塊，假設(shè)該系統(tǒng)的追蹤系統(tǒng)是符合預(yù)期的。利用DIAlux 軟件模擬，對(duì)比教室內(nèi)不同時(shí)刻有聚光光伏系統(tǒng)及無(wú)光伏系統(tǒng)的照度情況，包括等照度值的分布及偽色圖。其中偽色圖是為了方便觀察光能的分布情況，按照不同照度值劃分區(qū)域并以不同顏色示意，照明效果對(duì)比如圖11～13 所示。

圖11 傳統(tǒng)建筑幕墻正午12：00 時(shí)采光情況

通過上述三種情況的對(duì)比可以看出，在沒有安裝玻璃幕墻的房間里，光線分布非常不均勻，在正午12：00 時(shí)，如圖11（a）的等輻照度分布線可以看出，通過窗戶進(jìn)入到室內(nèi)的光線較多，并集中在靠近窗戶的一小部分，該區(qū)域的等輻照線已經(jīng)到達(dá)了1 000 lx（圖中已用紅色表示），而小區(qū)域的過高的集中照射會(huì)導(dǎo)致眩光，使人體感到不適。在其他區(qū)域的照度較低，并沒有滿足國(guó)標(biāo)所要求的工作面達(dá)到300 lx 的照度。對(duì)于下午16：00，等照度分布圖如圖12（a），除了靠近窗戶的一列輻照度最高達(dá)到了500 lx，教室內(nèi)大部分區(qū)域都不滿足300 lx 的要求。這幾種情況都不滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)生活。而對(duì)于新型聚光光伏系統(tǒng)，在正午時(shí)，為室內(nèi)提供系統(tǒng)50%的光通量用于采光照明，這樣既減少了過多的光能進(jìn)入室內(nèi)引起不適，也將多余的光線收集起來，用于光電轉(zhuǎn)換，減少光能的損耗。而在下午太陽(yáng)光線不足時(shí)，將之前進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的電能用于補(bǔ)償照明以滿足室內(nèi)的照度需求。從圖13 中可以看出，在具有光伏玻璃幕墻的照明系統(tǒng)在0.75 m高的工作面全天均可達(dá)到300 lx 的照度，且照度分布較均勻，工作面的均勻度達(dá)到了0.956，滿足了室內(nèi)照明照度要求。經(jīng)過仿真得到帶有光伏幕墻的房間的輻照度分析仿真如表2 所示。

表2 輻照度分析結(jié)果

圖12 傳統(tǒng)建筑幕墻下午16：00 時(shí)采光情況

圖13 新型光伏幕墻全天的采光情況

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際天氣情況，對(duì)于傳統(tǒng)玻璃房，在正午的情況下，從窗戶向室內(nèi)投射的照度約為170 klx，會(huì)引起人眼的不適感，而采用光伏玻璃幕墻系統(tǒng)可使室內(nèi)照度更加均勻，提高采光舒適度，減少了室內(nèi)眩目等現(xiàn)象。同時(shí)將多余的光線進(jìn)行匯聚收集，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換以及光纖傳輸，大大提高了太陽(yáng)能的利用率。在提高采光舒適度的同時(shí)避免了由于陽(yáng)光過剩所造成的能源浪費(fèi)。

系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。這種設(shè)計(jì)的成本主要是初期加工成本，使用壽命可達(dá)30 年，投入使用后，這一成本將大大降低。如果采用這種設(shè)計(jì)，當(dāng)聚光器的聚光效率為70%時(shí)，一年接收的太陽(yáng)總輻射量為4 016.6 MJ/m2，功率為1 157.2 KWH/m2。如果采用CIS 薄膜太陽(yáng)能電池，平均轉(zhuǎn)換效率為20%，則本設(shè)計(jì)一年單位面積發(fā)電量為231.4 KWH/m2。因此，在使用壽命（30 年）內(nèi)的總發(fā)電量為6 943.2 KWH/m2。按照0.7/KWH元的電價(jià)計(jì)算，單位面積一年節(jié)電161.9 元/m2。在使用壽命（30 年）內(nèi)可節(jié)省電費(fèi)4 859.4 元/m2。此外，使用壽命內(nèi)累計(jì)減排效益為220.046 46/m2。綜上所述，本設(shè)計(jì)在一個(gè)生命周期內(nèi)的總收益為6 301.646 4 元/m2。對(duì)于1 000 m2建筑面積，本設(shè)計(jì)在一個(gè)生命周期內(nèi)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1 060 t，累計(jì)減少CO2770 t 和SO22 t，總效益約507 萬(wàn)元。因此，這項(xiàng)工作的節(jié)能減排效果顯著。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于新型聚光器的光伏玻璃幕墻設(shè)計(jì)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的透明玻璃，實(shí)現(xiàn)了采光和光伏發(fā)電的多功能。聚光器主要是利用拋物面反射來匯聚太陽(yáng)光，實(shí)現(xiàn)光伏轉(zhuǎn)換，而沒有到達(dá)拋物面的光線則直接通過聚光器底部進(jìn)入室內(nèi)。

論文中詳細(xì)分析了一些參數(shù)對(duì)聚光器光學(xué)性能的影響，通過光線追蹤仿真對(duì)聚光器的各項(xiàng)指標(biāo)（如聚光器的高度、聚光單元模塊的寬度、雙拋物線的移動(dòng)距離）進(jìn)行了比較分析。為了驗(yàn)證所選模型的可靠性，模擬了室內(nèi)采光照明，與傳統(tǒng)幕墻進(jìn)行對(duì)比研究，顯示了不同條件下的室內(nèi)照度分布圖。可以得出以下結(jié)論：

（1）本文所提出的聚光器垂直入射時(shí)的聚光效率達(dá)到了70%，系統(tǒng)的效率也在90%，在保持高光學(xué)效率的同時(shí)改善接收器上能量分布的均勻性。

（2）與傳統(tǒng)的玻璃幕墻相比［11］，所提出的設(shè)計(jì)方法能夠顯著地改善光伏與采光不均衡的問題，當(dāng)光線較差時(shí)，更多的太陽(yáng)輻射可以進(jìn)入建筑物進(jìn)行照明。當(dāng)光線充足時(shí)，適當(dāng)?shù)牟糠止饩€被照射到建筑中，剩余的太陽(yáng)輻射被重新定向到光伏電池中，以保持一個(gè)舒適的照明環(huán)境，具有很好的研究前景。

（3）系統(tǒng)的單元模塊體積小、自由度高，可安裝在各種建筑中。整體拼接結(jié)構(gòu)可按需生產(chǎn)，便于生產(chǎn)、安裝。這有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和降低維護(hù)成本。

但目前研究的玻璃幕墻仍存在一些不足，比如光照條件相對(duì)有限。研究只針對(duì)晴天和陰天進(jìn)行，沒有考慮雨天等惡劣天氣。當(dāng)天氣條件較差時(shí)，聚光的光學(xué)特性會(huì)受到很大的影響，與現(xiàn)有分析結(jié)果有很大的不同，需要分別進(jìn)行分析和討論。此外，還缺乏對(duì)仿真結(jié)果的誤差分析。因此，在未來的研究中，將考慮上述因素并進(jìn)行優(yōu)化研究。