應(yīng)用于建筑光伏一體化的聚光光伏組件性能研究

常澤輝 文麒麟

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.廣西恭城瑤族自治縣環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣西 恭城 542500）

1 引言

建筑光伏一體化技術(shù)是在建筑中注入綠色元素，實(shí)現(xiàn)建筑物產(chǎn)生能源的一種新概念。國外對(duì)太陽能建筑光伏一體化系統(tǒng)的研究已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間。其建筑光伏的發(fā)展是從示范到推廣，從屋頂光伏到與建筑集成，進(jìn)而將光伏組件作為一種建筑元素融入到建筑材料中。一些發(fā)達(dá)國家，比較有代表的是德國、日本和美國，已經(jīng)有了成熟的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法[1]。

建筑光伏一體化技術(shù)的應(yīng)用受到了建筑環(huán)境、氣候、電力工業(yè)結(jié)構(gòu)、政府政策、市場(chǎng)需求和現(xiàn)有工業(yè)能力等制約。由于建筑光伏一體化中的光伏組件占地面積少，不需要跟蹤機(jī)構(gòu)，維護(hù)費(fèi)用低，受到了人均土地面積較少國家的青睞，也得到了很多研究學(xué)者的關(guān)注。T.N. Anderson等[2]用光伏組件代替屋頂瓦片，并在光伏組件下面鋪設(shè)換熱管路，利用水將光伏組件工作產(chǎn)生的熱量帶走再次利用，提高了對(duì)太陽能的利用效率。Bowden等[3]采用雙面高效光伏組件，利用屋頂傾斜面作為反射面將太陽光反射到光伏組件上發(fā)電，減少了光伏組件的直接受光面積，提高了光伏組件有效使用單位面積，同時(shí)還保留了原有建筑的形態(tài)。我國建筑光伏一體化研究起步較晚，比西方一些發(fā)達(dá)國家技術(shù)落后很多。但近幾年國家發(fā)布了一些“光電新政”，有力地推動(dòng)了我國建筑光伏一體化的發(fā)展進(jìn)程，也出現(xiàn)了一些具有代表性的建筑光伏一體化示范工程，比如：國家體育館示范建筑工程，其中就隱藏一座年發(fā)電量97000kWh的光伏電站；上海虹橋鐵路客運(yùn)站光伏示范工程；首都博物館屋頂太陽能發(fā)電示范工程等。

本文中提到的一種應(yīng)用于建筑光伏一體化的聚光光伏組件具有節(jié)省光伏組件使用面積、光線接受角較大、不需要跟蹤系統(tǒng)、單位面積光伏組件輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)。

聚光器的設(shè)計(jì)對(duì)聚光光伏發(fā)電的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。目前，應(yīng)用于太陽能聚光技術(shù)中的聚光器主要有兩種，一種是成像的，一種是非成像的。在非成像聚光器中，以Wiston發(fā)明的復(fù)合拋物面（CPC）最為典型[4]。傳統(tǒng)的太陽能復(fù)合拋物面聚光器都是根據(jù)邊緣光學(xué)原理或光線追蹤法，由兩條拋物線復(fù)合旋轉(zhuǎn)或平移獲得，非常接近于理想聚光器，能夠?qū)⒔邮战欠秶鷥?nèi)的入射光線按理想聚光比收集到接受體上。主要優(yōu)點(diǎn)是能夠收集部分散射光，不需要跟蹤太陽，或只需按季節(jié)做適當(dāng)調(diào)整，控制策略簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便[5]，這也符合建筑光伏一體化對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的要求。

文獻(xiàn)[6]提出了一種新型鏡像焦點(diǎn)重疊式復(fù)合拋物面聚光器，該聚光器結(jié)合了傳統(tǒng)的復(fù)合拋物面聚光器順向傳光和拋物面聚光器成像聚焦的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)的復(fù)合拋物面聚光器非成像而導(dǎo)致的出光口收集的光分散性大，同時(shí)避免了拋物面聚光器中光線逆向反射引起的一些問題[7]。該聚光器將焦點(diǎn)移到聚光拋物面的外側(cè)，在聚光凹面內(nèi)側(cè)沒有擋光的物體，所以對(duì)光伏組件上的能量處理更加方便靈活。

2 聚光光伏組件的工作原理及建模

聚光光伏組件結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由新型組合拋物面聚光器、反射平面鏡和光伏組件等組成。它的工作原理如下：平行光束4沿中心軸方向入射，在最大集光半徑內(nèi)的光，大部分將入射到組合拋物面集光器1上，經(jīng)反射后入射到反射平面鏡2上，經(jīng)反射平面鏡內(nèi)表面反射后匯聚到光伏組件3上。實(shí)驗(yàn)所用的多曲面聚焦槽式聚光器開口寬度為0.55 m，長(zhǎng)度為0.45 m，底部槽寬度為0.23 m，采用全鋼結(jié)構(gòu)制成，在反射面上粘貼反射率為93%的鋁板。

圖1 聚光光伏組件示意圖

首先在 SolidWorks軟件中建模，得到三維聚光器的模型，如圖2所示。模型的幾何和光學(xué)參數(shù)如下：p = l =0.23m，對(duì)應(yīng)這些參數(shù)得到的全尺寸模型的開口寬度應(yīng)該是 0.85m，組合拋物面部分的高度為 0.93m。為了更好地與建筑屋頂結(jié)合，提高抗風(fēng)揭能力，在建設(shè)模型的時(shí)候把拋物面上部截去一部分，使得它的參數(shù)為：入口寬度：d1= 0.55m；出口寬度：d2= 0.23m。

圖2 在Solidworks中建立的聚光器模型

3 聚光光伏組件的光線追跡

在光學(xué)分析軟件中將模型導(dǎo)入，設(shè)定內(nèi)表面材料為鋁，反射性質(zhì)為鏡面反射，反射率為 93%，這樣的設(shè)置不存在跟蹤誤差、反射面輪廓誤差和不完美鏡面反射誤差。聚光器內(nèi)平行光線追跡如圖3所示，光束為10×10線平行光，從圖中可以看到光線在其內(nèi)表面的運(yùn)行情況。平行對(duì)稱軸入射的光線，全部可以進(jìn)入聚光器，未射入到拋物面上的光線直接射到光伏組件表面。

圖3 聚光系統(tǒng)光線追跡圖

4 入射光束偏離正入射時(shí)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

理想狀態(tài)下，光線會(huì)匯聚到焦平面上的光伏組件表面，但是在實(shí)際運(yùn)行中，入射光會(huì)存在一定的入射偏角（實(shí)際入射光線與正入射光線之間的夾角），加之太陽直射光對(duì)地球有一個(gè)0.53°的會(huì)聚角。這必然導(dǎo)致匯聚效果與理想效果有一定的偏差，焦點(diǎn)由于發(fā)生象散，光伏組件表面的焦斑形狀會(huì)發(fā)生變化，影響聚光電池的工作效率和輸出功率。

改變聚光器正上方面光源的光線入射偏角，對(duì)聚光光伏組件的聚光性能進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看到：所設(shè)計(jì)的聚光光伏組件具有較大的入射接收角，當(dāng)光線最大入射偏角為25°左右時(shí)，將有50%的入射光線被光伏組件表面接收。設(shè)入射偏角為 0°、入射光輻照度為800W/m2時(shí)，太陽電池表面平均接收輻照度為 2088 W/m2，則當(dāng)入射光線偏角增大到為25°時(shí)，太陽電池表面也能接受到1044 W/m2。

圖4 光線透過率隨入射偏角的變化曲線

基于上述聚光光伏組件光線追跡計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際天氣條件下，對(duì)入射偏角為 0～25°范圍內(nèi)的固定式聚光光伏組件與平板光伏組件進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)是北京市，根據(jù)入射偏角范圍和秋分時(shí)太陽輻射方位角的變化，可以確定實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間為 10∶05-14∶15。實(shí)驗(yàn)所使用的是商用多晶硅光伏組件，受光面積為0.1035m2，在太陽輻照度為956 W m2、負(fù)載為19Ω時(shí)輸出電功率為4.3W。

圖5 兩組件輸出電功率比較圖

圖6 兩組件工作溫度比較圖

將聚光光伏組件和非聚光平板光伏組件在相同的太陽輻照度、環(huán)境溫度、負(fù)載條件下對(duì)其工作溫度、輸出電功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在兩個(gè)發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)工作240分鐘，晴天工況下采集的。聚光光伏組件與非聚光平板光伏組件輸出功率數(shù)據(jù)如圖5所示，兩組件工作溫度數(shù)據(jù)比較如圖6所示。從圖5中可以得到，聚光光伏組件最大輸出功率是平板光伏組件的2.03倍，總發(fā)電功率是平板光伏組件的2.21倍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還說明，所設(shè)計(jì)的聚光光伏組件還可以接受一部分散射光。從圖6中可以看出，聚光光伏組件最高工作溫度達(dá)到了 103.1℃，光伏組件的光電效率與工作溫度成反比，為了保證光伏組件的工作效率和使用壽命，可以將這部分熱量通過水冷或者空冷加以利用，實(shí)現(xiàn)建筑的節(jié)能減排功能。

5 結(jié)論

本文介紹了一種用于建筑光伏一體化的聚光光伏組件，采用直觀的光線追跡分析法，對(duì)光線入射偏角影響聚光光伏組件的光學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果表明：在傳統(tǒng)復(fù)合拋物面聚光器（CPC）基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的聚光光伏組件的有效聚光比為2.39，在最大入射偏角為25°時(shí)，進(jìn)入進(jìn)光口的光線仍有50%能被光伏組件接收，這也符合建筑光伏一體化中屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)少調(diào)整或基本不調(diào)整的經(jīng)濟(jì)性要求。在典型天氣條件下，通過對(duì)聚光光伏組件和非聚光平板光伏組件的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，聚光光伏組件的最大輸出電功率是平板光伏組件的2.03倍，總輸出電功率是平板光伏組件的2.21倍。聚光光伏組件在工作時(shí)溫度高達(dá) 103.1℃，可以利用光伏熱技術(shù)將發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量應(yīng)用到建筑空調(diào)中。

[1] 肖瀟,李德英.太陽能光伏建筑一體化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].節(jié)能,2010,331(2):12-13.

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[4] 何開巖,鄭宏飛.一種三維聚光系統(tǒng)的光線追跡與接收器窗口優(yōu)化[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào),2010,35(12):1050-1057.

[5] 謝果,鄭宏飛,王海江等.新型槽式太陽能聚光集熱器的研究與試驗(yàn)[J].可再生能源,2010,28(12):1-5.

[6] 鄭宏飛,陶濤,何開巖,等.多曲面復(fù)合聚焦槽式太陽能集熱器的研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2011,32(2):193-196．

[7] 常澤輝,鄭宏飛,侯靜.多曲面槽式聚光太陽電池電熱聯(lián)供系統(tǒng)性能研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(9): 935-940.