等光强分布的槽式反射聚光器的设计

马保宏

（1.河西学院物理与机电工程学院；2.河西学院新能源研究所，甘肃 张掖 734000）

1 引言

聚光光伏发电技术因其可以提高太阳能电池表面的辐射功率密度，进而提高单位面积太阳能电池的输出功率，降低光伏发电成本，具有较好的应用前景［1-5］.聚光光伏系统对光辐照度均匀性有较高要求［6，7］，很多研究小组已对聚光器进行优化设计，以改善平面接收器的能流均匀性［8-11］.颜健等对抛物碟式聚光器中各镜面单元进行优化布置以提高能流均匀性.Meng等［9］利用基于矢量的自由曲面方法进行反射式聚光器镜面设计，该设计显著提升了目标接收器（圆形或矩形平面接收器）的聚焦能流均匀性；黄启禄等提出利用旋转对称二次曲面反射镜产生均匀的方形光斑［10］.江守利等提出了等光强分布的折平板聚光系统［12］，该系统采用平板玻璃镜反射聚光，虽然可以获得均匀分布的辐射能流密度，但是系统所需反射板的数量、宽度、倾角及坐标位置的计算过程相当繁琐.本文根据能量守恒和几何光学的基本原理，设计了一种等光强分布的槽式反射聚光器，提出了反射面的柱面方程，理论研究了反射柱面的性质和聚光器几何参数的特点.

2 聚光器设计

图1 聚光器的光路分析图

3 结果讨论

3.1 光路图验证

对（7）式，取聚光比为2，聚光比的倒数k 为0.5，太阳能吸收接受面的位置Y 为2m，半宽为1m，任意常数c在初始条件y|x=0=0 下的值为3.25，做出聚光器的剖面曲线，然后按平面镜反射原理进行验证，得到的光路验证如图2所示.由图2可知，垂直于x轴入射的平行太阳光经反射面AB部分反射，在平面光伏电池的下表面得到能流密度均匀分布的反射光.

图2 聚光器的光路验证图

图3 平面光伏电池的半宽对反射面面型结构的影响

3.2 聚光器的反射柱面

图4 平面光伏电池的位置对反射面面型结构的影响

图5 聚光比对反射面面型结构的影响

3.3 聚光器的几何参数

图6给出平面光伏电池的位置、聚光比对平面光伏电池最大半宽的影响，图中曲线1、2、3、4分别对应平面光伏电池的位置是4m、6m、8m和10m.由图6可以看出，平面光伏电池的位置越高，对应的最大半宽越大；平面光伏电池的位置一定时，聚光比越大，其最大半宽越小.对图中曲线进行拟合发现，聚光比与平面光伏电池的最大半宽之间呈反比例函数关系，对应曲线1、2、3、4拟合函数分别为

图6 聚光比、平面光伏电池的位置与平面光伏电池最大半宽之间的关系

图7 聚光比、平面光伏电池的位置与反射面最大半宽之间的关系

图8 平面光伏电池的位置与反射柱面最大半宽之间的线性关系

具体设计时需要计算每块镜片的宽度、安装倾角和坐标位置［12］.本文所设计的聚光器其反射面连续光滑，开口宽度是625mm，设计时只需要将平面光伏电池的半宽、位置和聚光比带入反射柱面的参数方程即可.

4 结论

本文设计了一种能流密度均匀分布的槽式反射聚光器，提出了反射柱面的曲面方程，理论研究了聚光器几何参数的特点和反射柱面的性质.研究结果表明：1）反射柱面的剖面曲线呈凹曲线，其切线的斜率单调递增；2）聚光比、平面光伏电池的半宽和位置均会影响反射柱面的面型结构.3）在聚光比和平面光伏电池的位置确定的情况下，平面光伏电池和反射柱面存在最大半宽.当聚光比一定时，槽式反射面的最大半宽与平面光伏电池的位置呈线性关系.当平面光伏电池的位置一定时，平面光伏电池和槽式反射面的最大半宽均与聚光比有关.随聚光比增大，平面光伏电池的最大半宽减小，二者之间呈反比例函数关系；槽式反射面的最大半宽先增大，达到一极值后缓慢减小.此外，与等光强分布的折平板聚光器相比，本文所设计的聚光器其反射面连续光滑，且可以避免反射面上每块镜片的宽度、安装倾角和坐标位置等繁琐的计算过程.