多曲面槽式聚光光伏发电组件光学性能研究

侯 静， 常泽辉， 温 雯， 郑宏飞， 江 钒

（1.内蒙古建筑职业技术学院机电与暖通工程学院，内蒙古呼和浩特 010070；2.北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081；3.内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特 010051）

聚光光伏发电系统是降低光伏发电成本的有效途径之一，它通过使用聚光器来提高入射到光伏组件单位面积上的辐照度，这有助于在相同电能负荷下，减少光伏组件所需的面积，用便宜的光学材料代替昂贵的半导体材料，提高了发电系统的成本综合效益[1]。应用在光伏发电系统上的聚光装置分为菲涅尔(Fresnel)透镜折射聚光系统和抛物面反射聚光系统。但是两者都需要使用成本较高的太阳跟踪装置、易集尘、风阻大[2]，而且在较高的聚光比下，常规光伏组件工作温度超过100℃，导致光电性能提高有限，需要附加生成空冷型或水冷型的电热联供系统才能保证系统工作稳定[3-4]。因此免跟踪、制造成本低、接收角大的多曲面聚光器(CPC)在聚光应用领域具有较好的前景。

多曲面聚光器(CPC)是一种非成像低聚焦的聚光器，它是根据边缘光学原理设计而成，可将给定接收角范围内的光线按照理想聚光比汇聚到接收器上。将聚光技术和光伏发电相结合的聚光光伏技术作为未来光伏重要发展方向之一，已经得到广泛公认。但是CPC的缺点主要体现在高宽比太大，即反射镜面面积很大，使得聚光光伏技术的复杂程度远远超过现有各种光伏发电形式[5]，适当截短CPC可大幅度节省材料，降低制造成本，减少跟踪装置对跟踪精度的要求，我们对文献[6]中提出的多曲面聚光器进行优化设计，其最大的特点是将对CPC高宽比进行优化,同时将出光口沿对称轴下移一定设计长度，强化了多曲面聚焦的能力，增大了装置最大聚光角和最大入射偏角，降低了跟踪精度要求，尤其对固定式多曲面槽式聚光光伏发电的应用具有参考价值。

国内外研究学者对可应用在光伏发电上的聚光器性能开展了实验和计算机模拟研究，文献[7]提出了对聚光光伏系统性能进行分析的方法，通过实验加以验证，文献[8]对聚光光伏技术中的光学模型的建立及相关光热性能进行了分析计算，文献[9-11]通过光学分析方法对影响聚光器性能的参数进行了研究，文献[12-14]对聚光光伏技术中的跟踪精度做了实验分析。事实表明，通过对聚光光伏系统的光学性能研究，可从跟踪策略、成本造价、性能优化上对整体性能加以改善。

1 多曲面槽式聚光光伏发电组件工作原理

本文所设计的多曲面槽式聚光光伏发电系统如图1所示。它主要由组合抛物面集光器、二次反射平面镜和光伏组件接收器等组成，它的工作原理如下：平行光束2沿对称轴方向入射，在最大接收角范围内的光线，大部分将入射到组合抛物面集光器1上，经反射后汇聚到光伏组件4上。二次平面反射镜3将光伏组件接收器距离组合抛物面集光器的竖直尺寸增大，目的是延长非正入射光线在聚光器内的光程，增大系统的最大入射偏角，降低聚光器的跟踪精度。

图1 多曲面槽式太阳能聚光器

2 系统的设计与结构优化

图2为本设计的多曲面槽式聚光器的横截面结构图，建立如图所示的x-y坐标系，那么CG和DH分别为两个大小相同、开口向上的抛物线的一段，f1和f2分别为这两个抛物线的焦点，它们的方程可分别写作公式（1）及（2）。

图2 聚光器的剖面及聚光原理图

式中：p为焦参数，l为焦点与y轴的水平距离。光伏组件AB必须满足三个条件：(1)它与x轴的距离必须大于yF(yF=P/2)；（2）它的宽度正好等于l，即|AB|=l，直线CE和DB分别垂直于x轴；（3）进光口外沿光线3要通过光伏组件左边界点A。

根据上述三个要求，则图2中D点的纵坐标由式(1)求得：

由于D点的纵坐标应该在其焦点之上，应该要求yD＞P/2，所以有：

直线AH的方程为：

通过上述计算可求得给定聚光比的二次反射平面镜的长度为：

3 系统建模及性能仿真

在Solidworks软件中建模，得到三维多曲面槽式聚光光伏发电组件的模型，如图3所示。模型的几何和光学参数取：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0.851 4m，组合抛物面部分的高度为0.934 6m。由于全尺寸模型上部曲线几乎与对称轴平行，所以在建立模型的时候把抛物面上部截去一部分，使得它的参数如下：开口宽度Φ=0.600m，出光口宽度d=0.23m，聚光比C=2.609，根据上述设计参数，则二次反射平面镜高度经计算h=0.035m。

图3 在So lidworks中建立的系统模型

将软件建模系统导出的IGES格式的聚光系统模型导入光学分析软件中，进行光线追迹模拟。将所有向内的反射面设置为铝质材料，设定它的反射率为93%。图4所示为多曲面槽式聚光光伏组件的光线追迹图，其中模拟光束为500条，波长为550 nm的平行光束正入射到聚光器的开口平面。从图4中可见光线在其内表面的分布情况，符合边缘光学原理，从入口处射进来的光线，首先入射到对应的抛物面上，反射后顺向往下传输，到达光伏组件接收器上。

图4 聚光系统的光线追迹图

4 系统几何光学效率分析计算

CPC的几何光学效率是指在不考虑光的衰减，仅考虑入射光的逸出或被遮挡所造成的损失时CPC所具有的光学效率。将入射光看作多条均匀分布的光线，到达吸收体的光线数与进入CPC采光面的光线数之比即为CPC的几何光学效率。利用光学软件的“光线追迹”功能来分析接收器的光学效率是简单而准确的方法[15]。

在实际应用中，由于跟踪精度或系统结构的原因，不能保证太阳光线总是垂直进光口入射的。尤其对于槽式聚光系统，一般只有单轴跟踪,甚至是固定放置。所以对太阳光非正入射时的聚光情况进行研究具有重要的意义。

图5 入射角示意图

表1 不同入射偏角时光伏组件几何光学效率变化

图6 ξr与θr的关系曲线

图7 聚光中心偏移量随入射偏角的变化

从图7可见随着入射偏角的增大，光伏组件所接受的聚焦光斑的中心逐渐偏离正入射时对应的中心，偏离程度与CPC的高度成正比，按线性增长速度变化。CPC的聚光能力由聚光比的大小来衡量，聚光比越大则汇聚能力越强。而CPC高度与进光口的比值称为高宽比，是用来衡量装置稳定性和经济性好坏的参数，高宽比越小则抛物面面积越小，重心越低，其经济性和稳定性越好。所以设计合理的CPC，兼顾高宽比和聚光比两者的综合因素是很重要的[16]。

5 结论

本文提出一种可提高入射偏角的多曲面槽式聚光光伏发电组件的设计新方法，建立了相应的光学模型，利用光线追迹法和几何光学法研究模型的光学性能。所设计的多曲面槽式聚光光伏组件受光均匀，在入射偏角不大于2.8°时，聚光器受入射角影响的几何光学效率ξr=99.81%，在入射偏角为4°时，聚光器的几何光学效率也能达到94.49%，光伏组件接受的聚焦光斑中心随入射偏角的增大而逐渐偏离正入射中心，与CPC的高度成正比，按线性增长速度变化。模拟计算结果表明可通过延长出光口到光伏组件距离来实现增大聚光器入射偏角，减小聚光器的高宽比，降低跟踪精度，提高聚光光伏组件的稳定性和经济性，这为研究多曲面槽式聚光发电系统的综合效益提供了参考。

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