聚光跟蹤一體化光伏組件設(shè)計(jì)與性能分析

張 臻，吳 軍，賈 朋，邵 璽，祝曾偉

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.常州天合光能有限公司光伏科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213031)

太陽能光伏發(fā)電是解決環(huán)境和能源問題的主要途徑之一。由于光伏發(fā)電成本較高阻礙了大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，世界各國一直在探索降低成本的途徑。降低光伏發(fā)電成本的途徑主要有：(1)從太陽電池本身入手，采用新工藝、新材料、新技術(shù)，提高太陽電池效率，降低單位功率太陽電池成本；(2)從光伏發(fā)電系統(tǒng)入手，引入聚光器，提高入射到太陽電池單位面積上的太陽輻射能量流密度，用最小的太陽電池面積獲取盡可能多的電能。與聚光器材料相比，單位面積的太陽電池成本仍然非常高，采用聚光方式減少太陽電池的用量，對(duì)降低光伏發(fā)電的成本仍有較大的潛力。

聚光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)種類較多，根據(jù)聚光形式的不同可分為線聚光系統(tǒng)和點(diǎn)聚光系統(tǒng)。對(duì)于線性聚光來說，著名的有西班牙EUCLIDES系統(tǒng)，德國的Fraunhofer太陽能系統(tǒng)研究所(ISE)的BICON系統(tǒng)等。對(duì)于點(diǎn)聚光系統(tǒng)來說，美國的Amonix公司，西班牙的Isofoton公司等都有產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化。西班牙的EUCLIDES系統(tǒng)所使用的聚光電池為垂直多結(jié)電池。德國的BICON聚光系統(tǒng)采用拋物面鏡將陽光匯聚到接受器上，通過加裝二次聚光器(CPC)可以實(shí)現(xiàn)300倍的高聚光比。聚光系統(tǒng)具備降低光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的潛力，一直以來受到研究人員的關(guān)注。對(duì)于高倍(幾十到數(shù)百倍)聚光系統(tǒng)，多采用多結(jié)高效電池。對(duì)于一般的常規(guī)晶體硅太陽電池只能在幾倍的光強(qiáng)下取得較好的收益，若想太陽電池工作在更高的光強(qiáng)下，必須采取措施降低太陽電池的串聯(lián)電阻，串聯(lián)電阻越小，聚光系統(tǒng)的性能越好，但這樣勢(shì)必會(huì)增加太陽電池的成本，因此并不是光強(qiáng)越高越好。對(duì)于晶體硅太陽電池，低倍聚光是降低系統(tǒng)成本的解決方案之一。低倍(2～10倍)線性聚光系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中，具有對(duì)太陽跟蹤精度、電池散熱效果等要求相對(duì)較低，系統(tǒng)可靠性較高的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的市場(chǎng)前景[1-4]。

對(duì)于聚光系統(tǒng)，怎樣跟蹤太陽，使其在任何季節(jié)任何時(shí)刻都可以最大量捕捉到輻照達(dá)到聚光效果是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。典型聚光系統(tǒng)需要另外配備單軸或雙軸跟蹤裝置，此外，也有部分專利介紹了新型聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與概念，可以采用免傳動(dòng)部件的太陽跟蹤方式。2008年，美國John George Pender在其專利“無運(yùn)動(dòng)太陽跟蹤聚光器”中提出的免傳動(dòng)部件的跟蹤聚光光伏系統(tǒng)[5-6]采用特殊材料制作透鏡，通過改變施加在透鏡兩端的電壓可以改變透鏡的折射率，根據(jù)光線入射角調(diào)節(jié)透鏡折射率，使斜射光線經(jīng)過該透鏡的折射后始終可以與透鏡方向垂直。將該透鏡與菲涅爾透鏡或聚光反射鏡結(jié)合可以達(dá)到無傳動(dòng)部件跟蹤太陽的聚光效果。這種聚光系統(tǒng)無需傳動(dòng)部件，系統(tǒng)可靠性相對(duì)較高，但由于可變折射率透鏡的材料成本較高且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)不明顯。本文介紹了由自行設(shè)計(jì)的低倍線性聚光用折射式聚光器，并對(duì)其原理及聚光太陽電池組件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

1 聚光光伏組件設(shè)計(jì)

光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽光匯聚到太陽電池上。按光學(xué)類型劃分，常用的聚光系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射聚光系統(tǒng)。折射式太陽光伏聚光應(yīng)用中，菲涅爾透鏡被當(dāng)作理想之選，它的聚焦方式可以是點(diǎn)聚焦，也可以是線聚焦，適合中高倍聚光(幾十倍到幾百倍)[7]。但是傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在難以實(shí)現(xiàn)高接收角，聚光后光強(qiáng)分布不均勻和易老化變形等問題。針對(duì)這一情況，低倍線性太陽電池組件設(shè)計(jì)首次采用轉(zhuǎn)移光線的透鏡，避免局部高溫問題。如圖1所示，在該光伏組件中，太陽電池之間設(shè)計(jì)有較大的間距，透鏡將本應(yīng)照射到組件空白處的光線轉(zhuǎn)移到太陽電池部分，從而達(dá)到聚光效果。由于透鏡僅僅將光線轉(zhuǎn)移，不存在點(diǎn)或線聚光，通過透鏡的光線均勻分布在太陽電池組件表面，在入射角偏移時(shí)，不會(huì)存在局部過熱現(xiàn)象。聚光組件可以做到較薄，采用78 mm×78 mm(1/4片156 mm×156 mm電池)電池片，組件厚度在50 mm左右。該聚光一體化太陽電池組件聚光比一般為1～5，透鏡采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或低鐵玻璃。由于該聚光組件中電池間距較大且透鏡之間有良好的通風(fēng)通道，適合于自然冷卻。組件可以通過平移與旋轉(zhuǎn)透鏡達(dá)到跟蹤太陽的效果。

圖1 聚光跟蹤一體化組件結(jié)構(gòu)示意圖

目前聚光系統(tǒng)普遍存在兩個(gè)問題：首先，跟蹤構(gòu)件未與太陽電池組件及聚光器集成在一起，現(xiàn)場(chǎng)安裝與調(diào)試復(fù)雜，且需要旋轉(zhuǎn)聚光太陽電池組件以跟蹤太陽，不適合與一般民用建筑斜面屋頂結(jié)合；其次，對(duì)于點(diǎn)聚焦或線聚焦系統(tǒng)，在太陽跟蹤失效時(shí)，易出現(xiàn)局部溫度過高而損壞太陽電池組件情況[8-10]。針對(duì)這兩點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將轉(zhuǎn)移光線的棱鏡組合應(yīng)用于低倍線性聚光太陽電池組件，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該組件可以通過沿設(shè)定軌跡移動(dòng)棱鏡組達(dá)到聚光與跟蹤太陽效果，由于單個(gè)棱鏡組相對(duì)面積較小，易做到高抗風(fēng)性能。同時(shí)由于棱鏡組僅僅將太陽輻照轉(zhuǎn)移，不存在聚光焦點(diǎn)(或線)，通過棱鏡組的輻照均勻分布在太陽電池組件表面，即使在輻照入射角偏移且太陽跟蹤系統(tǒng)失效情況下，仍不會(huì)形成強(qiáng)光點(diǎn)或強(qiáng)光線造成嚴(yán)重局部過熱損壞太陽電池組件。聚光器(棱鏡組)、跟蹤系統(tǒng)與太陽電池組件一體化可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)裝配人力成本，并且由于不需要旋轉(zhuǎn)整個(gè)太陽電池組件，與其他聚光系統(tǒng)相比，這種新型多棱鏡聚光跟蹤一體化太陽電池組件(以下簡(jiǎn)稱聚光跟蹤一體化組件)適合于民用建筑屋頂應(yīng)用，可以做到光伏建筑一體化(BIPV)。

二倍折射式聚光器光強(qiáng)分布與光線軌跡如圖2～圖3所示，PMMA的折射率為1.49，光線從PMMA入射到空氣中時(shí)，產(chǎn)生全反射的臨界角為：arcsin(1/1.49)＝42.2°。當(dāng)入射角大于42.2°時(shí)，可以利用全反射達(dá)到光線轉(zhuǎn)移的效果。采用Fred軟件模擬光線輸入發(fā)現(xiàn)，透鏡為正三角形時(shí)可以達(dá)到較好的效果。如圖3所示，當(dāng)光線垂直入射透鏡上表面時(shí)，經(jīng)過透鏡折射后的光線有1/2到達(dá)電池表面，由圖3可知：

圖2 聚光一體化組件光強(qiáng)分布示意圖

圖3 二倍折射式聚光器光線軌跡示意圖

因此透鏡的寬度等于單個(gè)電池的寬度。如圖2所示，這時(shí)光線1與光線2各有1/2的光線經(jīng)過透鏡1與透鏡2達(dá)到電池1的表面，加上不經(jīng)過透鏡直接達(dá)到電池1上的光線 (輻照)，從而形成2倍聚光的效果。不考慮透鏡厚度，透鏡距離組件的高度h可表示為：

可以通過減小電池片寬度a(如將單片電池片切割成多片)，來減小透鏡距離組件的高度h。如果使用156 mm×156 mm電池片，h約為

與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本文提出的聚光跟蹤一體化組件可以將跟蹤構(gòu)件與聚光器集成在太陽電池組件上。該組件在東西方向通過設(shè)計(jì)聚光棱鏡組長(zhǎng)度大于太陽電池串長(zhǎng)度來補(bǔ)償每天早晚時(shí)刻的太陽輻照偏移。棱鏡長(zhǎng)度L比太陽電池串長(zhǎng)度兩端每端長(zhǎng)0.5～3倍太陽電池串寬度距離，如對(duì)于由單排156 mm×156 mm電池組成的電池串，透鏡為東西方向放置，使每日早9：00到下午3：00不會(huì)出現(xiàn)因光線偏移造成太陽電池表面輻照分布不均勻現(xiàn)象，棱鏡長(zhǎng)度L比太陽電池串長(zhǎng)度長(zhǎng)78～468 mm。太陽在一年內(nèi)在南北回歸線往返，設(shè)置春分、秋分時(shí)太陽垂直入射于太陽電池組件表面，如圖4所示，南北方向一年中太陽光線最大偏移角度為23.5°。在南北方向上，設(shè)置聚光棱鏡組與太陽電池組件傾角(該傾角設(shè)計(jì)為安裝地點(diǎn)緯度±6°)使春分、秋分時(shí)太陽垂直入射于太陽電池組件表面，太陽在南北回歸線往返，入射太陽輻照偏移在±23.5°范圍內(nèi)。通過沿設(shè)計(jì)軌跡移動(dòng)棱鏡組可以跟蹤太陽輻照，使系統(tǒng)始終保持很好的聚光效果。

圖4 太陽輻射示意圖

2 性能模擬分析

基于上述多棱鏡折射式聚光跟蹤一體化光伏組件設(shè)計(jì)，選擇聚光器(透鏡)材料PMMA的折射率為1.49，采用光學(xué)軟件Fred模擬太陽輻照(平行光線)在不同入射角下經(jīng)聚光器后的分布情況。為清晰顯示光線經(jīng)過透鏡折射與反射后的軌跡，聚光器取3個(gè)正三角形組成，模擬結(jié)果如圖5所示。聚光器取7個(gè)正三角形組成時(shí)，光線斜角入射情況下，模擬光學(xué)效果如圖6所示；設(shè)置多排聚光器，太陽輻照斜角入射光學(xué)模擬效果如圖7所示。由圖6～圖7可知，若該聚光器設(shè)計(jì)能適應(yīng)一定的光學(xué)偏移垂直方向，有利于太陽輻照中散射光的利用。通過光學(xué)軟件進(jìn)行的不同透鏡材質(zhì)、跟蹤方式等模擬，結(jié)果表明，如果透鏡材料選擇為折射率1.5的玻璃，仍可以達(dá)到同樣的聚光效果。

圖5 Fred軟件模擬二倍折射式聚光器光線分布

圖6 太陽輻照斜角入射光學(xué)模擬效果

圖7 太陽輻照斜角入射光學(xué)模擬效果(多聚光器)

太陽高度角隨季節(jié)變化，光線偏移聚光器垂直方向較大時(shí)，直接照射與通過透鏡(不再是全反射)照射在組件表面的輻射光線重合部分很少，組件表面少有光強(qiáng)大于1.2倍入射光強(qiáng)分布帶(強(qiáng)光帶寬度與太陽電池寬度須相近)，因此即使通過平移透鏡也難達(dá)到1.2倍以上聚光效果，聚光器需要跟蹤太陽軌跡。采用多個(gè)透鏡共用同一軸，整體移動(dòng)跟蹤太陽，F(xiàn)red光學(xué)模擬效果如圖8所示，該方案聚光效果會(huì)受到影響，直接照射與通過透鏡照射在組件表面的輻射光線重合部分相對(duì)較少，只能滿足1.4倍左右跟蹤效果。采用單排旋轉(zhuǎn)透鏡跟蹤太陽軌跡，F(xiàn)red光學(xué)模擬效果如圖9所示，直接照射與通過透鏡照射在組件表面的輻射光線重合較好，此時(shí)再平移透鏡可以使光線匯聚在組件的太陽電池部分，達(dá)到聚光效果，根據(jù)Fred光強(qiáng)分布計(jì)算，通過旋轉(zhuǎn)并平移透鏡可以達(dá)到跟蹤效果，入射光線在±23.5°范圍內(nèi)偏移時(shí)，始終保持1.7倍以上的聚光比。

圖8 Fred軟件模擬透鏡整體旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽

圖9 Fred軟件模擬透鏡獨(dú)立旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽

3 結(jié)論

光線轉(zhuǎn)移透鏡式低倍聚光跟蹤一體化太陽電池組件設(shè)計(jì)有效避免了傳統(tǒng)反射式與折射式聚光組件中，電池表面輻照分布不均勻或光聚焦引起的局部高溫問題。Fred光學(xué)軟件模擬結(jié)果表明，采用PMMA、玻璃等不同透鏡材質(zhì)，入射光有小角度偏移垂直聚光器方向時(shí)，該聚光組件均能達(dá)到較好的光學(xué)效果；南北向安裝，入射光線在±23.5°范圍內(nèi)偏移時(shí)，該設(shè)計(jì)的聚光組件通過旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)透鏡可以跟蹤太陽，2倍幾何聚光比組件實(shí)際光學(xué)聚光比仍能保持1.7倍以上。該聚光器由于單個(gè)透鏡相對(duì)面積較小，易做到高抗風(fēng)性，聚光器、跟蹤系統(tǒng)與太陽電池組件一體化后，可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量，且由于太陽電池組件本身不旋轉(zhuǎn)，非常方便與民用住宅BIPV結(jié)構(gòu)結(jié)合。

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