折/反式二次聚光免跟蹤光伏系統(tǒng)設計

高明　盛旺

摘要：為了降低光伏聚光系統(tǒng)對高精度追日系統(tǒng)的依賴，使聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡單，設計了免跟蹤的光伏聚光系統(tǒng)。系統(tǒng)基于折射、反射原理，采用菲涅耳透鏡作為一級聚光器，拋物面反射鏡作為折/反射式聚光系統(tǒng)的二次聚光器。文章針對探測器感光面積為156mm×156mm的多晶硅電池，設計了一個口徑為320mm×320mm、焦距為310mm、4倍聚光的免跟蹤光伏聚光系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽能；聚光系統(tǒng)；免跟蹤；光伏系統(tǒng)；折射原理；反射原理 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN21 文章編號：1009-2374（2016）19-0020-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.010

常規(guī)能源在全球范圍的大量消耗，導致全球氣候持續(xù)變暖的問題日益嚴重，環(huán)境不斷惡化，人們開始關(guān)注并且越來越重視清潔新能源之一的太陽能。但是太陽能到達地面的能流密度較低，其峰值為1kW/m2。

本文提出了4倍聚光的免跟蹤光伏系統(tǒng)。通過增加光伏聚光系統(tǒng)太陽入射角，使光伏聚光系統(tǒng)在太陽赤緯角的變換方向上依然優(yōu)于90%的聚光效率，降低對跟蹤精度的需求。

1 光伏聚光系統(tǒng)設計

菲涅耳透鏡為一級聚光器，拋物面鏡作為二級聚光器。非垂直入射光入射至聚光系統(tǒng)的一級聚光器，然后經(jīng)過一級聚光器折射至二級聚光器，最后經(jīng)二次聚光器反射至太陽能光伏電池表面，從而實現(xiàn)太陽接收角的

擴大。

1.1 菲涅耳透鏡

菲涅耳透鏡可以作為一種使透射的入射光折射聚焦的聚光體，如圖1所示：

對于一般菲涅耳透鏡的設計，焦距和聚光孔徑作為設計時的已知條件，所以對菲涅耳透鏡的設計可通過已知參量計算每一個小楞齒的傾角，直至設計至透鏡中心即可得到菲涅耳透鏡。

與菲涅爾透鏡軸線的夾角，到達透鏡左側(cè)平面時入射角為i1，折射角為i1′，光線穿過透鏡，到達右側(cè)小斜面的光線入射角為i2，折射角為i2′，最后光線射出透鏡時與菲涅爾透鏡軸線的夾角為u′，則根據(jù)折射定律有：

圖3中，F(xiàn)為入射光線與菲涅爾透鏡軸線的交點，也是折射光學的物點；f為物距；F′為出射光線與菲涅爾透鏡軸線之間的交點；f′為像點到透鏡平面中心點的距離，即像距。A為入射光線在透鏡平面上的入射點；r為A點到菲涅爾透鏡軸線的距離；B點為出射點，是出射光線與透鏡小斜面的交點，同時在設計中取B點為小斜面的中點；r′為B點到菲涅爾透鏡軸線的距離。B為菲涅爾透鏡的齒距；h為B點到透鏡平面的距離。

1.2 二級聚光器的設計

二級聚光器的設計是基于費馬定理設計CPC的邊緣射線法。費馬定理（Fermat′s Principle）指出物點到像點之間的所有光線的光學路徑長度（optical path length）相等。CPC設計的出發(fā)點是希望入射光線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之間，入射光線在從進入聚光器入射口后均可最多經(jīng)過一次反射均可由出射口射出。

如圖4所示事先確定聚光器入口AA′、最大入射角度θ以及出口聚光邊緣B′，就可以得到聚光器的輪廓拋物線。圖4中獲取的為下方的反光面AB，同理可以得到上反光面A'B'，在實際應用上，上下兩個面的最大入射角大都采用相等的對稱結(jié)構(gòu)，但是兩個反光面的最大入射角在原理上可以不同。

基于上文所述設計二級聚光器，如圖5所示：

2 設計思路

地球的運行分為公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)。要提高太陽能的利用率，就應掌握太陽的運行規(guī)律，使太陽能電池板對太陽進行實時跟蹤。太陽赤緯角則是連接太陽中心和地球中心的線與赤道平面的夾角，用表示。太陽赤緯角實際上代表的是太陽直射點的緯度，其變化規(guī)律如圖6所示。春分后，太陽移向北回歸線直至夏至日，赤緯角由變化到+23.45°；夏至日后向赤道移動，直至冬至日到達南回歸線，赤緯角由+23.45°到-23.45°；冬至日后重新向赤道移動。故太陽赤緯角隨時間的變化而逐漸變化，且赤緯角的大小與所在地無關(guān)，只與時間有關(guān)。

因此，本文通過擴大太陽能接收角度，一方面降低了聚光系統(tǒng)對跟蹤裝置跟蹤精度的要求，可以減少復雜的機械以及傳感系統(tǒng)的使用量，從而造成了經(jīng)費的大量支出以及大量的維護成本；另一方面，當接收角度大于±24°，也就是大于太陽赤尾角的最大角度α=±24°時，就可以免除追日系統(tǒng)在二維方向上的控制，因此只使用免跟蹤即可。

傳統(tǒng)光伏聚光系統(tǒng)均是以確定入射角度，也就是垂直入射光線為基礎的條件下設計的，所以在使用時非常依賴高精度的追日系統(tǒng)，這樣才能在維持特定的入射角度下保證聚光效率，但高精度追日系統(tǒng)本身的制造以及在惡劣條件下的頻繁維護都造成了系統(tǒng)的高昂成本。

3 結(jié)果分析

通過lighttools對光伏聚光系統(tǒng)建模并優(yōu)化后，分別選取入射光線0°、12°和24°的入射光線進行了分析。

3.1 0°入射角照度分析

太陽以0°入射角入射到聚光系統(tǒng)，光路圖如圖7所示：

圖7為模擬陽光0°入射聚光系統(tǒng)，通過聚光輻照至太陽能電池片上的輻照圖。其中入射功率88.1W，最大5835.1W/m2，聚焦范圍內(nèi)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

太陽以12°入射角入射到聚光系統(tǒng)，為模擬陽光12。入射聚光系統(tǒng)，輻照度分析圖。其中入射功率88.1W，最大5780.7W/m2，聚焦范圍內(nèi)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

太陽以24°入射角入射到聚光系統(tǒng)，光路圖如圖8所示：

圖8為模擬陽光24°入射聚光系統(tǒng)，輻照度分析圖。其中入射功率82W，最大12413W/m2，聚焦范圍內(nèi)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 結(jié)語

設計了口徑為320mm×320mm、焦距為310mm、4倍聚光的免跟蹤光伏聚光系統(tǒng)。系統(tǒng)通過增加聚光系統(tǒng)的視場角，降低了光伏聚光系統(tǒng)對高精度追日系統(tǒng)的依賴，從而降低了光伏系統(tǒng)的安裝以及維護費用。分析結(jié)果表明，在太陽光入射角不大于±24°的范圍，本文所設計的光伏聚光系統(tǒng)的光伏聚光效率均優(yōu)于90%。

在當前我國土地資源日益緊缺，國家鼓勵光伏分布式發(fā)電的大背景下，小模組聚光發(fā)電系統(tǒng)將具有廣闊的應用價值。本文針對有限使用面積下獨立聚光系統(tǒng)的建設所做的設計，為今后小模組溫棚、光伏屋頂?shù)染酃獍l(fā)電與自然光照射互補的光伏應用提供了有力的支持。

參考文獻

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作者簡介：高明，男，陜西西安人，西安工業(yè)大學光電工程學院教授，博士，研究方向：光學設計理論及技術(shù)、光電精密測試技術(shù)、光大氣傳輸理論及技術(shù)。

（責任編輯：黃銀芳）