应用于建筑光伏一体化的聚光光伏组件性能研究

常泽辉 文麒麟

（1.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.广西恭城瑶族自治县环境保护监测站，广西 恭城 542500）

1 引言

建筑光伏一体化技术是在建筑中注入绿色元素，实现建筑物产生能源的一种新概念。国外对太阳能建筑光伏一体化系统的研究已经有较长时间。其建筑光伏的发展是从示范到推广，从屋顶光伏到与建筑集成，进而将光伏组件作为一种建筑元素融入到建筑材料中。一些发达国家，比较有代表的是德国、日本和美国，已经有了成熟的技术和设计方法[1]。

建筑光伏一体化技术的应用受到了建筑环境、气候、电力工业结构、政府政策、市场需求和现有工业能力等制约。由于建筑光伏一体化中的光伏组件占地面积少，不需要跟踪机构，维护费用低，受到了人均土地面积较少国家的青睐，也得到了很多研究学者的关注。T.N. Anderson等[2]用光伏组件代替屋顶瓦片，并在光伏组件下面铺设换热管路，利用水将光伏组件工作产生的热量带走再次利用，提高了对太阳能的利用效率。Bowden等[3]采用双面高效光伏组件，利用屋顶倾斜面作为反射面将太阳光反射到光伏组件上发电，减少了光伏组件的直接受光面积，提高了光伏组件有效使用单位面积，同时还保留了原有建筑的形态。我国建筑光伏一体化研究起步较晚，比西方一些发达国家技术落后很多。但近几年国家发布了一些“光电新政”，有力地推动了我国建筑光伏一体化的发展进程，也出现了一些具有代表性的建筑光伏一体化示范工程，比如：国家体育馆示范建筑工程，其中就隐藏一座年发电量97000kWh的光伏电站；上海虹桥铁路客运站光伏示范工程；首都博物馆屋顶太阳能发电示范工程等。

本文中提到的一种应用于建筑光伏一体化的聚光光伏组件具有节省光伏组件使用面积、光线接受角较大、不需要跟踪系统、单位面积光伏组件输出功率高等优点。

聚光器的设计对聚光光伏发电的实现起着至关重要的作用。目前，应用于太阳能聚光技术中的聚光器主要有两种，一种是成像的，一种是非成像的。在非成像聚光器中，以Wiston发明的复合抛物面（CPC）最为典型[4]。传统的太阳能复合抛物面聚光器都是根据边缘光学原理或光线追踪法，由两条抛物线复合旋转或平移获得，非常接近于理想聚光器，能够将接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到接受体上。主要优点是能够收集部分散射光，不需要跟踪太阳，或只需按季节做适当调整，控制策略简单，运行方便[5]，这也符合建筑光伏一体化对光伏发电技术的要求。

文献[6]提出了一种新型镜像焦点重叠式复合抛物面聚光器，该聚光器结合了传统的复合抛物面聚光器顺向传光和抛物面聚光器成像聚焦的优点，解决了传统的复合抛物面聚光器非成像而导致的出光口收集的光分散性大，同时避免了抛物面聚光器中光线逆向反射引起的一些问题[7]。该聚光器将焦点移到聚光抛物面的外侧，在聚光凹面内侧没有挡光的物体，所以对光伏组件上的能量处理更加方便灵活。

2 聚光光伏组件的工作原理及建模

聚光光伏组件结构如图1所示，它主要由新型组合抛物面聚光器、反射平面镜和光伏组件等组成。它的工作原理如下：平行光束4沿中心轴方向入射，在最大集光半径内的光，大部分将入射到组合抛物面集光器1上，经反射后入射到反射平面镜2上，经反射平面镜内表面反射后汇聚到光伏组件3上。实验所用的多曲面聚焦槽式聚光器开口宽度为0.55 m，长度为0.45 m，底部槽宽度为0.23 m，采用全钢结构制成，在反射面上粘贴反射率为93%的铝板。

图1 聚光光伏组件示意图

首先在 SolidWorks软件中建模，得到三维聚光器的模型，如图2所示。模型的几何和光学参数如下：p = l =0.23m，对应这些参数得到的全尺寸模型的开口宽度应该是 0.85m，组合抛物面部分的高度为 0.93m。为了更好地与建筑屋顶结合，提高抗风揭能力，在建设模型的时候把抛物面上部截去一部分，使得它的参数为：入口宽度：d1= 0.55m；出口宽度：d2= 0.23m。

图2 在Solidworks中建立的聚光器模型

3 聚光光伏组件的光线追迹

在光学分析软件中将模型导入，设定内表面材料为铝，反射性质为镜面反射，反射率为 93%，这样的设置不存在跟踪误差、反射面轮廓误差和不完美镜面反射误差。聚光器内平行光线追迹如图3所示，光束为10×10线平行光，从图中可以看到光线在其内表面的运行情况。平行对称轴入射的光线，全部可以进入聚光器，未射入到抛物面上的光线直接射到光伏组件表面。

图3 聚光系统光线追迹图

4 入射光束偏离正入射时仿真数据与实验结果

理想状态下，光线会汇聚到焦平面上的光伏组件表面，但是在实际运行中，入射光会存在一定的入射偏角（实际入射光线与正入射光线之间的夹角），加之太阳直射光对地球有一个0.53°的会聚角。这必然导致汇聚效果与理想效果有一定的偏差，焦点由于发生象散，光伏组件表面的焦斑形状会发生变化，影响聚光电池的工作效率和输出功率。

改变聚光器正上方面光源的光线入射偏角，对聚光光伏组件的聚光性能进行仿真计算。计算结果如图4所示，从图中可以看到：所设计的聚光光伏组件具有较大的入射接收角，当光线最大入射偏角为25°左右时，将有50%的入射光线被光伏组件表面接收。设入射偏角为 0°、入射光辐照度为800W/m2时，太阳电池表面平均接收辐照度为 2088 W/m2，则当入射光线偏角增大到为25°时，太阳电池表面也能接受到1044 W/m2。

图4 光线透过率随入射偏角的变化曲线

基于上述聚光光伏组件光线追迹计算结果，在实际天气条件下，对入射偏角为 0～25°范围内的固定式聚光光伏组件与平板光伏组件进行对比实验。实验地点是北京市，根据入射偏角范围和秋分时太阳辐射方位角的变化，可以确定实验测试时间为 10∶05-14∶15。实验所使用的是商用多晶硅光伏组件，受光面积为0.1035m2，在太阳辐照度为956 W m2、负载为19Ω时输出电功率为4.3W。

图5 两组件输出电功率比较图

图6 两组件工作温度比较图

将聚光光伏组件和非聚光平板光伏组件在相同的太阳辐照度、环境温度、负载条件下对其工作温度、输出电功率进行实验对比，实验数据是在两个发电系统连续工作240分钟，晴天工况下采集的。聚光光伏组件与非聚光平板光伏组件输出功率数据如图5所示，两组件工作温度数据比较如图6所示。从图5中可以得到，聚光光伏组件最大输出功率是平板光伏组件的2.03倍，总发电功率是平板光伏组件的2.21倍，实验结果还说明，所设计的聚光光伏组件还可以接受一部分散射光。从图6中可以看出，聚光光伏组件最高工作温度达到了 103.1℃，光伏组件的光电效率与工作温度成反比，为了保证光伏组件的工作效率和使用寿命，可以将这部分热量通过水冷或者空冷加以利用，实现建筑的节能减排功能。

5 结论

本文介绍了一种用于建筑光伏一体化的聚光光伏组件，采用直观的光线追迹分析法，对光线入射偏角影响聚光光伏组件的光学性能进行计算和分析，结果表明：在传统复合抛物面聚光器（CPC）基础上设计的聚光光伏组件的有效聚光比为2.39，在最大入射偏角为25°时，进入进光口的光线仍有50%能被光伏组件接收，这也符合建筑光伏一体化中屋顶光伏发电系统少调整或基本不调整的经济性要求。在典型天气条件下，通过对聚光光伏组件和非聚光平板光伏组件的对比实验研究，聚光光伏组件的最大输出电功率是平板光伏组件的2.03倍，总输出电功率是平板光伏组件的2.21倍。聚光光伏组件在工作时温度高达 103.1℃，可以利用光伏热技术将发电时产生的热量应用到建筑空调中。

[1] 肖潇,李德英.太阳能光伏建筑一体化应用现状及发展趋势[J].节能,2010,331(2):12-13.

[2] T.N. Anderson, M. Duke, G.L. Morrison et al. Performance of a building integrated photovoltaic/thermal (BIPVT) solar collector [J]. Solar Energy,2009,83∶445-455.

[3] Brian Norton, Philip C,Tapas K et al. Enhancing the performance of building integrated photovoltaics. Solar Energy,2011,85∶1629-1664.

[4] 何开岩,郑宏飞.一种三维聚光系统的光线追迹与接收器窗口优化[J].广西大学学报,2010,35(12):1050-1057.

[5] 谢果,郑宏飞,王海江等.新型槽式太阳能聚光集热器的研究与试验[J].可再生能源,2010,28(12):1-5.

[6] 郑宏飞,陶涛,何开岩,等.多曲面复合聚焦槽式太阳能集热器的研究[J].工程热物理学报,2011,32(2):193-196．

[7] 常泽辉,郑宏飞,侯静.多曲面槽式聚光太阳电池电热联供系统性能研究[J].北京理工大学学报,2012,32(9): 935-940.