基于TracePro軟件的復(fù)合拋物面聚光器光學(xué)性能分析

孫健

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程,景德鎮(zhèn)333001)

光伏發(fā)電由于過高的成本和較低光電轉(zhuǎn)換效率,推廣應(yīng)用受到了限制,降低太陽能光伏發(fā)電的成本,促進(jìn)光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前研究的重要課題。聚光發(fā)電可以用比較便宜的聚光器來部分代替昂貴的太陽電池[1-2],在滿足相同用電負(fù)荷要求的前提下減少光伏電板使用面積,達(dá)到降低太陽能光伏發(fā)電成本的目的。復(fù)合拋物面聚光器(CPC)是一種根據(jù)邊緣光學(xué)原理設(shè)計而成的聚光器,它由二片槽形拋物面反射鏡組成,人射光線在CPC中通過一次或多次反射到達(dá)接收表面,光線傳遞過程損失較少,并可對接收角范圍內(nèi)的傾斜人射的光線進(jìn)行有效收集,可達(dá)到最大理論聚光比,聚光性能非常接近于理想聚光器。CPC的運(yùn)行不需要時時跟蹤太陽位置,可以采用單軸跟蹤或者免跟蹤,只需根據(jù)季節(jié)調(diào)節(jié)方位,組件成本大大降低。太陽能聚光光伏系統(tǒng)中聚光器的光學(xué)特性對系統(tǒng)的性能有直接影響,不過由于聚光器光線入口處反光板聚光效果較差,為了降低聚光器的制造成本在實(shí)際應(yīng)用時一般都適當(dāng)截去聚光器入口處反射面低效部分,達(dá)到減少反射面用材的目的[3-4],本文將根據(jù)復(fù)合拋物面聚光光伏系統(tǒng)的工作原理建立聚光光伏系統(tǒng)的物理模型,根據(jù)模型應(yīng)用Tracep ro軟件對不同聚光比和截短比的復(fù)合拋物面器的光學(xué)性能進(jìn)行計算,分析截短后的聚光器對系統(tǒng)光學(xué)性能的影響。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1是復(fù)合拋物面聚光光伏系統(tǒng)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖,主要是由具有一定強(qiáng)度的透光性能良好的玻璃蓋板、拋物面形反射面和吸收面組成,吸收面放置在聚光器的出口,與聚光器出口相連接的吸收面主要結(jié)構(gòu)形式有平板型、豎板型、三角型和圓管型,在太陽能聚光光伏系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是平板型。

圖1 CPC光伏系統(tǒng)的剖面

CPC的主體是中心軸對稱的兩片槽式拋物面反射鏡;圖中兩條斜虛線是入射限制線,分別與反射面拋物線的主軸平行。入射限制線與聚光器對稱軸夾角θ稱為接收半角,當(dāng)從CPC上端口入射的光線入射角小于或等于θ時,光線可直接或者經(jīng)過反射最終到達(dá)CPC下端的太陽能電池板,而當(dāng)入射角大于θ時,光線經(jīng)過多次反射從聚光器上端的玻璃蓋板射出不能被利用[5-6]。聚光器中的幾何聚光比和聚光器高度等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)都與θ有關(guān)[4]。

幾何聚光比C:

式中:θmax為聚光器最大的入射角。

聚光器的焦距:

其中a為CPC的光線出口長度,即光伏板寬度。

聚光器的高度:

其中L為CPC光線入口長度,即玻璃蓋板寬度。

由于CPC反光鏡面積較大,但是反光鏡上部聚光效果較差,因此隨著反光鏡高度的增加聚光效果并沒有改善多少,特別是較高聚光比聚器中這一缺陷體現(xiàn)得更加明顯。為了克服這一缺點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用中適當(dāng)截去上部聚光效率低的部分,從而達(dá)到減少用材降低成本,提高系統(tǒng)性價比的目的。CPC經(jīng)過截短后的高度與原高度的比值,稱之為截短比。

2 模擬方案

TracePro是一個實(shí)體模型光學(xué)分析軟件,普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射分析及光度分析,具有強(qiáng)大光學(xué)分析功能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。TracePro軟件可將光線引入模型,在模型的每個物理表面或者交點(diǎn)處,每條光線都遵從吸收、反射、折射、衍射和散射定律。當(dāng)光線在實(shí)體中沿不同的路徑傳播時, TracePro跟蹤每條光線以及計算光的吸收,鏡面反射及折射、衍射和散射能量。因此,可以通過T racePro軟件建立聚光器的物理模型、設(shè)置合理的光源參數(shù)、選擇合適的系統(tǒng)材料和表面性能參數(shù),分析聚光系統(tǒng)的各表面光強(qiáng)分布和光線數(shù)量等參數(shù)。

蒙特-卡羅(Monte Carlo)法是一種利用重復(fù)的統(tǒng)計試驗來求解物理或數(shù)學(xué)問題的方法,具有思路簡單、易于實(shí)現(xiàn)、對復(fù)雜問題有很好的適應(yīng)性。在應(yīng)用該方法進(jìn)行計算時,假定進(jìn)入系統(tǒng)的太陽輻射能是由大量相互平行的光束組成,由光源的入射參數(shù)確定每一束光攜帶的能量,發(fā)射點(diǎn)位置則是在某一平面隨機(jī)產(chǎn)生。某一光束與系統(tǒng)內(nèi)表面的吸收、反射或折射是隨機(jī)的,若光束被漫反射表面反射,其反射方向亦隨機(jī),所有這些隨機(jī)性行為符合物理定律的概率模型來描述和確定。在計算中,跟蹤記錄每一束光的行蹤直到它被吸收或者逸出系統(tǒng),然后再跟蹤下一束光線,通過跟蹤大量的光束,將結(jié)果平均就可以確定進(jìn)入系統(tǒng)被吸收或者由開口逸出的光線數(shù)量,從而確定聚光器光學(xué)性能。

利用 Monte Carlo法追跡所有進(jìn)入系統(tǒng)的光線,可以計算太陽能電池板吸收、出射的光線數(shù)量從而得出太陽能電池表面的能流分布;通過不同的入射角下的模擬可以分析各種CPC光伏系統(tǒng)的聚光效果。本文將采用6倍聚光和2倍聚光的CPC光伏系統(tǒng),以及截短1/3的2倍聚光和截短2/3的6倍聚光CPC光伏系統(tǒng),見圖2。CPC光伏系統(tǒng)采用材料的光學(xué)性能見表1;6倍聚光和2倍聚光CPC光伏系統(tǒng)聚光器的幾何參數(shù)見表2。

表1 CPC光伏系統(tǒng)采用材料的光學(xué)性能

所設(shè)計的聚光器蓋板厚度為4mm,在2倍非截短時的尺寸為1 100 mm×220 mm×4 mm,系統(tǒng)中電池板的數(shù)量是10塊,所選硅片的幾何尺寸為110 mm×110 mm×0.3 mm,沿著聚光器的長度方向上串聯(lián)。采用柵格光源,考慮到太陽形狀對光線模擬結(jié)果的影響,光源設(shè)置成太陽光,其主要數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[8]提供的觀測數(shù)據(jù),太陽光強(qiáng)度采用平均輻射強(qiáng)度800W/m2,設(shè)定追跡光線數(shù)量為1 000。

圖2 不同聚光比和截短比時復(fù)合拋物面聚光光伏系統(tǒng)模型

表2 兩種CPC的幾何參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

圖3至圖7是在相同光照強(qiáng)度下不同結(jié)構(gòu)尺寸太陽能聚光光伏系統(tǒng)在電池上表面能流密度分布圖。由圖3可以看出在聚光率為6時,太陽電池表面平均光照強(qiáng)度可以達(dá)到4 500W/m2,高光強(qiáng)部位主要在電池表面中間部位。圖4表明,6倍聚光經(jīng)過截短2/3后光強(qiáng)降低不是很明顯,平均光強(qiáng)可以達(dá)到4 200W/m2,并且集中在電池的中部。

圖5-7是聚光率為2不同截短比時,太陽能電池表面的能流密度分布云圖?？梢钥闯?聚光率為2的聚光器及其經(jīng)過截短后電池表面光照強(qiáng)度都比較均勻,聚光器截短1/3后光照強(qiáng)度能流密度分布變化不大,平均光照強(qiáng)度可以達(dá)到1 200W/m2,但是聚光器截短2/3后光照強(qiáng)度有明顯降低,平均光強(qiáng)為1 100W/m2。從聚光器性價來看,截短1/3的聚光器反射面的材料用量少,但聚光后的光強(qiáng)分布變化不大,因此其性價比要比非截短聚光器的好,是2倍聚光器中較理想的選擇。

圖3 6倍聚光時電池表面的能流密度

圖4 6倍聚光截短2/3時電池表面能流密度

圖5 2倍聚光時電池表面的能流密度

圖6 2倍聚光截短1/3時電池表面能流密度

圖7 2倍聚光截短2/3時電池表面能流密度

4 結(jié)論

分析了復(fù)合拋物面聚光器的聚光原理,建立了不同聚光比在不同截短情況時聚光光伏系統(tǒng)的物理模型,采用蒙特-卡羅(M onte Carlo)法應(yīng)用Tracepro軟件對復(fù)合拋物面聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)性能進(jìn)行了計算和分析。結(jié)果表明:6倍CPC聚光系統(tǒng)電池表面的平均光照強(qiáng)度可達(dá)4 500W/m2,并且主要集中在電池的中間部位,6倍聚光器截短2/3后對聚光性能的沒有明顯的影響;2倍CPC聚光系統(tǒng)電池表面的平均光照強(qiáng)度達(dá)到1 200W/m2,聚光器截短2/3后對聚光性能有明顯的影響,會造成吸收表面光照強(qiáng)度降低,截短1/3的聚光器的性價比要比非截短聚光器的好,是低倍聚光器中較理想的方案。

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