折/反式二次聚光免跟踪光伏系统设计

高明　盛旺

摘要：为了降低光伏聚光系统对高精度追日系统的依赖，使聚光光伏发电系统的结构更简单，设计了免跟踪的光伏聚光系统。系统基于折射、反射原理，采用菲涅耳透镜作为一级聚光器，抛物面反射镜作为折/反射式聚光系统的二次聚光器。文章针对探测器感光面积为156mm×156mm的多晶硅电池，设计了一个口径为320mm×320mm、焦距为310mm、4倍聚光的免跟踪光伏聚光系统。

关键词：太阳能；聚光系统；免跟踪；光伏系统；折射原理；反射原理 文献标识码：A

中图分类号：TN21 文章编号：1009-2374（2016）19-0020-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.010

常规能源在全球范围的大量消耗，导致全球气候持续变暖的问题日益严重，环境不断恶化，人们开始关注并且越来越重视清洁新能源之一的太阳能。但是太阳能到达地面的能流密度较低，其峰值为1kW/m2。

本文提出了4倍聚光的免跟踪光伏系统。通过增加光伏聚光系统太阳入射角，使光伏聚光系统在太阳赤纬角的变换方向上依然优于90%的聚光效率，降低对跟踪精度的需求。

1 光伏聚光系统设计

菲涅耳透镜为一级聚光器，抛物面镜作为二级聚光器。非垂直入射光入射至聚光系统的一级聚光器，然后经过一级聚光器折射至二级聚光器，最后经二次聚光器反射至太阳能光伏电池表面，从而实现太阳接收角的

扩大。

1.1 菲涅耳透镜

菲涅耳透镜可以作为一种使透射的入射光折射聚焦的聚光体，如图1所示：

对于一般菲涅耳透镜的设计，焦距和聚光孔径作为设计时的已知条件，所以对菲涅耳透镜的设计可通过已知参量计算每一个小楞齿的倾角，直至设计至透镜中心即可得到菲涅耳透镜。

与菲涅尔透镜轴线的夹角，到达透镜左侧平面时入射角为i1，折射角为i1′，光线穿过透镜，到达右侧小斜面的光线入射角为i2，折射角为i2′，最后光线射出透镜时与菲涅尔透镜轴线的夹角为u′，则根据折射定律有：

图3中，F为入射光线与菲涅尔透镜轴线的交点，也是折射光学的物点；f为物距；F′为出射光线与菲涅尔透镜轴线之间的交点；f′为像点到透镜平面中心点的距离，即像距。A为入射光线在透镜平面上的入射点；r为A点到菲涅尔透镜轴线的距离；B点为出射点，是出射光线与透镜小斜面的交点，同时在设计中取B点为小斜面的中点；r′为B点到菲涅尔透镜轴线的距离。B为菲涅尔透镜的齿距；h为B点到透镜平面的距离。

1.2 二级聚光器的设计

二级聚光器的设计是基于费马定理设计CPC的边缘射线法。费马定理（Fermat′s Principle）指出物点到像点之间的所有光线的光学路径长度（optical path length）相等。CPC设计的出发点是希望入射光线即使不是垂直入射聚光器，但只要入射角度在0°到某一最大角度θ之间，入射光线在从进入聚光器入射口后均可最多经过一次反射均可由出射口射出。

如图4所示事先确定聚光器入口AA′、最大入射角度θ以及出口聚光边缘B′，就可以得到聚光器的轮廓抛物线。图4中获取的为下方的反光面AB，同理可以得到上反光面A'B'，在实际应用上，上下两个面的最大入射角大都采用相等的对称结构，但是两个反光面的最大入射角在原理上可以不同。

基于上文所述设计二级聚光器，如图5所示：

2 设计思路

地球的运行分为公转和自转。要提高太阳能的利用率，就应掌握太阳的运行规律，使太阳能电池板对太阳进行实时跟踪。太阳赤纬角则是连接太阳中心和地球中心的线与赤道平面的夹角，用表示。太阳赤纬角实际上代表的是太阳直射点的纬度，其变化规律如图6所示。春分后，太阳移向北回归线直至夏至日，赤纬角由变化到+23.45°；夏至日后向赤道移动，直至冬至日到达南回归线，赤纬角由+23.45°到-23.45°；冬至日后重新向赤道移动。故太阳赤纬角随时间的变化而逐渐变化，且赤纬角的大小与所在地无关，只与时间有关。

因此，本文通过扩大太阳能接收角度，一方面降低了聚光系统对跟踪装置跟踪精度的要求，可以减少复杂的机械以及传感系统的使用量，从而造成了经费的大量支出以及大量的维护成本；另一方面，当接收角度大于±24°，也就是大于太阳赤尾角的最大角度α=±24°时，就可以免除追日系统在二维方向上的控制，因此只使用免跟踪即可。

传统光伏聚光系统均是以确定入射角度，也就是垂直入射光线为基础的条件下设计的，所以在使用时非常依赖高精度的追日系统，这样才能在维持特定的入射角度下保证聚光效率，但高精度追日系统本身的制造以及在恶劣条件下的频繁维护都造成了系统的高昂成本。

3 结果分析

通过lighttools对光伏聚光系统建模并优化后，分别选取入射光线0°、12°和24°的入射光线进行了分析。

3.1 0°入射角照度分析

太阳以0°入射角入射到聚光系统，光路图如图7所示：

图7为模拟阳光0°入射聚光系统，通过聚光辐照至太阳能电池片上的辐照图。其中入射功率88.1W，最大5835.1W/m2，聚焦范围内平均3613.9W/m2，接收功率87.9W。能量利用率99.89%，聚光倍率4.2倍。

3.2 12°入射角照度分析

太阳以12°入射角入射到聚光系统，为模拟阳光12。入射聚光系统，辐照度分析图。其中入射功率88.1W，最大5780.7W/m2，聚焦范围内平均3492.1W/m2，接收功率85.00W，能量利用率96.3%，聚光倍率4.05倍。

3.3 24°入射角照度分析

太阳以24°入射角入射到聚光系统，光路图如图8所示：

图8为模拟阳光24°入射聚光系统，辐照度分析图。其中入射功率82W，最大12413W/m2，聚焦范围内平均3153W/m2，接收功率76.7W，能量利用率92.4%，聚光倍率3.93倍。

4 结语

设计了口径为320mm×320mm、焦距为310mm、4倍聚光的免跟踪光伏聚光系统。系统通过增加聚光系统的视场角，降低了光伏聚光系统对高精度追日系统的依赖，从而降低了光伏系统的安装以及维护费用。分析结果表明，在太阳光入射角不大于±24°的范围，本文所设计的光伏聚光系统的光伏聚光效率均优于90%。

在当前我国土地资源日益紧缺，国家鼓励光伏分布式发电的大背景下，小模组聚光发电系统将具有广阔的应用价值。本文针对有限使用面积下独立聚光系统的建设所做的设计，为今后小模组温棚、光伏屋顶等聚光发电与自然光照射互补的光伏应用提供了有力的支持。

参考文献

[1]王长贵.新能源和可再生能源的现状和展望[A].太阳

能光伏产业发展论坛论文集[C].2003.

[2]王长贵.开发利用新能源与可再生能源的重大意义

[J].太阳能，2000，（4）.

作者简介：高明，男，陕西西安人，西安工业大学光电工程学院教授，博士，研究方向：光学设计理论及技术、光电精密测试技术、光大气传输理论及技术。

（责任编辑：黄银芳）