一種新型聚光光伏組件的光學(xué)設(shè)計(jì)*

陳鎮(zhèn)光，邢 濤，王學(xué)孟，沈 輝

(1.中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所，廣東廣州519000;2.順德中山大學(xué)太陽能研究院，廣東佛山528300)

目前，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)面臨的主要問題是單位發(fā)電成本過高，傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)消耗的半導(dǎo)體材料約占整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本的50%［1］。聚光光伏技術(shù)能夠有效的降低單位電能的半導(dǎo)體消耗量，因而是降低光伏發(fā)電成本最有效、最快捷的途徑。近年來，隨著多節(jié)電池制造技術(shù)的成熟，例如美國Solar Junction在2012年10月實(shí)現(xiàn)III-V族聚光電池效率44%的世界紀(jì)錄 (947倍聚光)［2］、2013年4月美國Amonix公司實(shí)現(xiàn)了34.9%的聚光組件世界最高效率［3］，高倍聚光光伏系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展成為可能。在自然資源日益枯竭的今天，節(jié)省半導(dǎo)體材料是太陽能光伏領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的途徑之一。

聚光光伏技術(shù)以聚光倍數(shù)可細(xì)分為低、中、高倍聚光光伏技術(shù)［4］。從聚光形式的幾何特點(diǎn)可以分為線聚光和面聚光。低倍線性聚光技術(shù)主要應(yīng)用在晶硅電池的聚光，研究表明LGBC晶體硅電池較適合做中低倍聚光光伏系統(tǒng)接收器［5］。高倍聚光領(lǐng)域 (大于100倍聚光)主要采用III-V族多結(jié)電池。

聚光器的設(shè)計(jì)方法分為非成像設(shè)計(jì)方法和成像設(shè)計(jì)方法［6］。成像設(shè)計(jì)方法主要考慮色差對聚光性能的影響，其在高倍數(shù)聚光器設(shè)計(jì)時(shí)往往帶來高寬比大，光照均勻性差等問題［7］。非成像設(shè)計(jì)方法能夠帶來比較好的均勻性及較低的高寬比［8］。

本文提出一種新型反射式聚光器的非成像設(shè)計(jì)方法，并分別設(shè)計(jì)了一種具有較低高寬比的平板式低倍聚光器和高倍聚光器。該設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)在于采用了等比例光壓縮原理。光學(xué)仿真軟件TRACEPRO模擬了聚光器的設(shè)計(jì)效果并給后續(xù)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化指導(dǎo)。最后分別制作了一個(gè)低倍硅電池聚光光伏組件和一個(gè)高倍III-V族電池聚光光伏組件并完成相關(guān)測試。

1 聚光器設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)問題分析

傳統(tǒng)的高倍聚光組件，其聚光接收器通常位于組件的底部，形式單一［9］。該種方式安裝的組件往往高寬比較大，因而組件較厚，對跟蹤支架承受強(qiáng)度、防風(fēng)防水性能要求高，不便于組件的運(yùn)輸、安裝、調(diào)試，進(jìn)而增加系統(tǒng)成本 (圖1)［10］。另外，大面積聚光元件在光照受到部分遮擋時(shí)功率下降明顯［11－12］。

圖1 藍(lán)天太陽能高倍聚光組件Fig.1 Lantian HCPV modules

傳統(tǒng)的中低倍聚光組件，其系統(tǒng)模塊較大，運(yùn)輸安裝成本高昂，調(diào)試繁瑣，對場地的要求高，不利于大規(guī)模推廣 (圖2)［13］。

圖2 大規(guī)模線聚光系統(tǒng)Fig.2 Large-scale line-concentrated system

綜合高、低倍聚光組件遇到的問題，本文提出一種小型輕薄，模塊化的反射式聚光組件聚光器設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的聚光組件的特點(diǎn)在于，其聚光接收器位于聚光組件的側(cè)面，聚光組件結(jié)構(gòu)緊湊，具有較小的高寬比。

1.2 設(shè)計(jì)過程

1.2.1 線聚光設(shè)計(jì)過程 線性聚光器的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程如圖3所示，設(shè)計(jì)模型如圖4所示，其中直射太陽光與Y軸平行入射。

圖3 設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Design procedure

3)通過第2)步得到的邊界坐標(biāo)點(diǎn)，判斷聚光器的幾何尺寸，高寬比等指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足要求，如不滿足要求修改相應(yīng)參數(shù)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4)運(yùn)用第2)步得到的坐標(biāo)點(diǎn)在CAD軟件中建立樣條曲線。

5)樣條曲線沿著Z軸拉伸可以做成線性聚光器。

圖4 聚光器光路圖Fig.4 Light path of concentrator

1.2.2 面聚光設(shè)計(jì)過程 等比例面聚光的設(shè)計(jì)要求把XZ平面的光等比例的反射到在YZ平面的聚光接收器上。因而其設(shè)計(jì)方法建立在分別對X、Z軸的光進(jìn)行等比例壓縮之上。

1)對Z軸運(yùn)用等比例壓縮原理，把Z軸上的光等比例壓縮。其壓縮原理與2)相同。

2)X軸，Z軸都進(jìn)行過等比例壓縮后得到的曲線能夠組合成曲面。

3)判斷曲面所形成的反射式聚光器的幾何尺寸，高寬比等指標(biāo)是否滿足要求，如不滿足要求修改相應(yīng)參數(shù)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果分析和模擬結(jié)果分析

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

本文分別設(shè)計(jì)了一個(gè)低倍線聚光器和一個(gè)高倍面聚光器，其中低倍線聚光器設(shè)計(jì)目的是為25 mm*150 mm的晶體硅太陽電池提供4.7～5倍的聚光，聚光器的尺寸為150 mm*150*90 mm(長寬高);高倍面聚光器是為5.5 mm*5.5 mm的III-V族多結(jié)電池提供300倍的聚光，聚光器的尺寸為150 mm*80 mm*85 mm(長寬高)。

根據(jù)設(shè)計(jì)過程編寫的數(shù)值計(jì)算程序，分別計(jì)算線聚光器和面聚光器反射鏡輪廓上的各點(diǎn)的坐標(biāo)，繪出聚光器的二維模型，再通過組合拉伸形成三維模型，如圖5、6所示。

圖5 低倍線聚光器和高倍面聚光器Fig.5 Low line-concentrator and high surface-concentrator

圖6 低倍線聚光器和高倍面聚光器的模擬分析模型Fig.6 Simulation model of low line-concentrator and high surface-concentrator

2.2 模擬結(jié)果分析

以Tracepro軟件為平臺模擬分析聚光器的光學(xué)性能。將光源設(shè)置成面光源，光線垂直面源出射，光源發(fā)出的光線的波長范圍設(shè)為300～1800 nm，光源的照度為1000反射材料采用鍍鋁鏡面，鏡面反射率為0.8。

由于聚光器的設(shè)計(jì)過程基于光等比例壓縮原理進(jìn)行的，一般情況下，最后生成的聚光器三維模型并不嚴(yán)格符合等比例原理，這將導(dǎo)致三維模型的光學(xué)效率存在一定程度的下降。導(dǎo)致下降的因素與建立曲面采樣點(diǎn)密度與擬合樣條曲線的方式方法有關(guān)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論和數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，首先根據(jù)設(shè)計(jì)階段定義的光源進(jìn)行部分光線的模擬分析，如圖6所示，所有光線都經(jīng)過反射面的反射，并投射到設(shè)計(jì)之初所設(shè)定的聚光接收器表面。上述結(jié)果表面，聚光器的設(shè)計(jì)過程、數(shù)值計(jì)算程序和計(jì)算結(jié)果都是正確的。

進(jìn)行大量的光線追蹤模擬分析，接收面的照度分布圖如圖7、8所示。圖7表明接收面的光斑寬度為30 mm，最大照度為6600 Wm2，最低照度為5300 W/m2，平均值為5600 W/m2，光學(xué)效率為85.2%;圖8表面接收面的光斑大小為5.5 mm*5.5 mm，最大照度為203000，最低照度為120000，平均值為160000，光學(xué)效率為79.9%。綜合上述兩種聚光器的模擬結(jié)果及圖示，線聚光器的聚光光斑均勻性良好，初步達(dá)到預(yù)定效果;面聚光器的光斑形狀在底部出現(xiàn)偏移，主要原因在于CAD建模過程中的樣本采集點(diǎn)的數(shù)量不夠，導(dǎo)致聚光器特定區(qū)域的曲面出現(xiàn)誤差，只需加大樣本采集點(diǎn)密度，便能得出較好的光斑形狀，為了增加光斑照度的均勻性，可以增加棱鏡平衡光斑的照度和增大聚光器的集光角。

圖8 面聚光器接收面照度模擬Fig.8 Illumination simulation of receiver of surface-concentrator

3 總結(jié)

1)本文主要闡述了一種基于非成像方法的等比例光壓縮設(shè)計(jì)原理。作為驗(yàn)證該方法的有效性，本文分別設(shè)計(jì)了一個(gè)低倍線聚光器和一個(gè)高倍面聚光器。該設(shè)計(jì)原理的優(yōu)點(diǎn)在于，其設(shè)計(jì)方法的靈活性能夠滿足聚光器輕量化的設(shè)計(jì)要求。

2)本文設(shè)計(jì)的低倍線聚光器匯聚光線后在接收面上的光斑面積與設(shè)計(jì)中太陽電池的有效面積一致;光學(xué)效率在使用鍍鋁反射面的情況下高于85%。

3)本文設(shè)計(jì)的高倍面聚光器匯聚光線后在接收面上的光斑面積比設(shè)計(jì)中太陽電池的有效面積稍大，主要原因在于CAD的建模精度不夠。對于高倍聚光器，可以增加投射棱鏡以增加集光角及光斑均勻性。

4)該設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的聚光光伏組件，能夠增加組件小型模塊化程度，方便組件的制造，運(yùn)輸，安裝以及調(diào)試維護(hù)。

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