卞 之，王紅晨，邢詒存，李聯(lián)軍

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158）

二次反射聚光裝置光電特性的實驗研究

卞 之，王紅晨，邢詒存，李聯(lián)軍

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 海口 571158）

自行設(shè)計研制了折平面二次反射聚光光伏裝置，該裝置特點(diǎn)是，平面反射，電池板上光照強(qiáng)度均勻；光伏單元縱向首尾相接，反射疊加可抵減余弦效應(yīng)；固定安裝定期方向調(diào)節(jié)，無轉(zhuǎn)動部件，抗臺風(fēng)能力強(qiáng)；一次反射和二次反射背板背背相靠，節(jié)約占地面積.其光伏輸出特性實驗研究表明，二次反射聚光發(fā)電裝置比無反射常規(guī)固定安裝電池板，光電輸出功率提高66.2%，成本降低32.1%.

平面鏡二次反射；光伏發(fā)電；聚光裝置

聚光光伏系統(tǒng)匯聚光能，提高發(fā)電效率，降低成本，已成為當(dāng)前重要研究課題.光伏電池可以承受更高的光強(qiáng)，發(fā)出的電流成比例增加而又不至于影響光伏電池壽命.聚光系統(tǒng)可極大地減少昂貴的光伏電池使用量，降低成本，從而進(jìn)一步提高太陽能的綜合利用效率.

本文基于光學(xué)基本理論及光伏發(fā)電受光輻射密度及其均勻性影響較大特點(diǎn)，設(shè)計制作了折平板玻璃二次反射聚光伏裝置.該裝置的特點(diǎn)是用一些特定的位置點(diǎn)定位，對每一塊玻璃鏡來說反射后所形成的太陽影像大小位置都是相同的，因此總體疊加得到的能流密度、光強(qiáng)分布也是均勻的.

1 二次反射聚光發(fā)電實驗裝置

1.1 實驗裝置結(jié)構(gòu)

折平面聚光發(fā)電實驗裝置主要由光伏電池板、按預(yù)定角度分列于光伏電池板兩側(cè)并與光伏電池板形成平底槽形的一次反射玻璃鏡、成V形折平面的二次反射玻璃鏡、鏡面高度和角度可調(diào)節(jié)的定位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和支架等幾部分組成.光伏電池板的總體尺寸長×寬=128 cm×34 cm；左、右支架底角總尺寸分別為長×寬=128 cm×90 cm、長×寬=128 cm×60 cm.一次反射鏡面和二次反射鏡面尺寸均為長×寬=128 cm×38 cm，其中4 cm寬度用于抵消邊緣輻射密度降低預(yù)留的富余量，這種設(shè)計考慮了太陽光不平行度的影響，反射面邊緣存在約為0.5%[1]的損失.光伏電池板與上面一次反射鏡的夾角為168°，與下鏡面一次反射鏡的夾角為225°.兩塊二次反射平面鏡的夾角為68°.一次反射鏡和二次反射鏡底邊之間的水平距離為50 cm，電池板固定支架高度分別為85 cm和100 cm，二次反射固定支架90 cm，支架底角各桿間距約30 cm.一次反射鏡和二次反射鏡通過鉸支軸鉸支在支架上，鉸支軸下部固連在支架上.一次反射鏡可通過與光伏板連接的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，二次反射鏡通過兩鏡面之間的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動.反射鏡采用全光譜反射玻璃鏡.折平面聚光發(fā)電裝置橫斷面示意圖見圖1.

圖1 折平面二次反射聚光發(fā)電裝置橫斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of refracting plane secondary reflection light concentrating Photovoltaic device

1.2 光伏電池的安裝傾角

該系統(tǒng)的運(yùn)行不需要隨時跟蹤太陽，只需按季節(jié)定期進(jìn)行方位調(diào)整，其安裝傾角按使太陽直射被限制在士5°范圍內(nèi)來確定.設(shè)想該系統(tǒng)為全年負(fù)荷均衡分布的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，在確定相對固定的光伏接收面的最佳傾角時綜合考慮了接收面上太陽輻射密度的連續(xù)性、均勻性.以夏季接收面上所接收到的平均日輻射量[2]為依據(jù)，結(jié)合資料[3-5]提出的光伏方陣的傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由?°～15°工程上的經(jīng)驗數(shù)值，以及海口地區(qū)緯度20°1′，確定光伏接面的安裝傾角為25°.

2 發(fā)電裝置電輸出特性實驗研究

2.1 實驗內(nèi)容

1）使用照度計（PHOTO-100，虹譜光電科技有限公司）測量以下兩種情況下的輻射強(qiáng)度：太陽光直接照射光伏電池板的輻射強(qiáng)度和疊加二次反射到電池板的聚光輻射強(qiáng)度.

2）利用萬能表（DT8308，漳州安培德電子制造有限分司）測量光直接照射電池板和聚光以后兩種情況下的電流、電壓等電輸出特性參數(shù)數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)采集時間間隔為30 min.

2.2 實驗數(shù)據(jù)及能效分析

通過實驗測得一個單元的有反射和無反射光伏發(fā)電裝置的電流、電壓等光電輸出特性參數(shù)數(shù)據(jù)及光照照度數(shù)據(jù)，見表1.

表1中的電流、電壓等光電輸出特性參數(shù)和照度的實驗數(shù)據(jù)分別繪于圖2和圖3，橫軸為時間測點(diǎn)，縱軸為電流和電壓和照度.

由圖2可見，有無光照反射，電壓幾乎不變，有反射比無反射電流有較大的增量，線形平直幾乎不隨時間變化，沒有余弦效應(yīng)；由圖3可知有反射比無反射太陽光照度有較大的增量，變化規(guī)律相同.

實驗數(shù)據(jù)表明，同一塊50 W的電池板，折平面二次反射聚光光伏發(fā)電裝置發(fā)電83.29 W，比無反射常規(guī)固定安裝電池板（50 W）的光電輸出功率提高66.2%.

表1 電流、電壓及照度實測數(shù)據(jù)Tab.1Measured Current,Voltage and ilumination Intensity

圖2 電流、電壓隨時間變化圖Fig.2 Diagram of Measured Current and Voltage Varying with Time

圖3 照度隨時間變化圖Fig.3 Diagram of ilumination Intensity Varying with Time

3 成本分析

折平面二次反射聚光光伏發(fā)電裝置和無反射固定安裝光伏電池板兩種光伏系統(tǒng)成本投入見表2、表3.

表2 折平面二次反射聚光光伏發(fā)電裝置成本Tab.2 Cost of the refracting plane secondary reflection light concentrating photovoltaic device

同一塊50 W的光伏電池板，增加折平面二次反射聚光機(jī)構(gòu)的光伏發(fā)電裝置成本投入914.4元，輸出功率83.29 W，平均成本11.0元/W，無反射常規(guī)固定安裝電池光伏裝置成本投入808.5元，輸出功率50 W，平均成本16.2元/W，有反射比無反射成本下降32.1%.

表3 無反射常規(guī)固定安裝電池板光伏發(fā)電裝置成本Tab.3 Cost of the conventionally-fixed solar panels photovoltaic device without reflection

連續(xù)5d在類似的天氣氣象條件下實驗，獲得的光伏特性參數(shù)實驗數(shù)據(jù)、圖表走勢、變化規(guī)律相同.文中所列圖表具有代表性.

4 結(jié)論

基于等光強(qiáng)分布的基本設(shè)想和幾何光學(xué)理論，設(shè)計制作的折平面二次反射聚光裝置，通過分析測試和實驗研究得出以下結(jié)論：

1）光伏電池板上平面二次反射太陽光輻射密度均勻分布；上午和下午太陽光傾斜時，在電池陣列縱向反射光疊加，輻射密度得到提升，抵減電池板上輻射余玄效應(yīng).

2）折平面二次反射聚光光伏發(fā)電裝置比無反射常規(guī)固定安裝電池板的光電輸出功率提高66.2%；成本下降32.1%.

3）聚光裝置一次反射與二次反射背板背背相靠安裝，與一次反射和二次反射獨(dú)立安裝相比，節(jié)約占地面積約50%；折平面二次反射聚光光伏發(fā)電裝置固定安裝，定期方向調(diào)節(jié)，無需時時跟蹤，結(jié)構(gòu)簡單，無轉(zhuǎn)動部件，抗臺風(fēng)能力強(qiáng).

[1]江守利.反射聚光利用太陽能的基礎(chǔ)理論與實驗研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[2]楊金煥.固定式光伏方陣最佳傾角的分析[J].太陽能學(xué)報,1992,13(1):86-92.

[3]李安定.太陽能光伏發(fā)電工程[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

[4]羅運(yùn)俊,何梓年,王長桂.太陽能利用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]沈輝,曾祖群.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

Experimental Study on Photoelectric Characteristics of the Secondary Reflection Light Concentrating Device

BIAN Zhi，WANG Hongchen，XING Yicun，LI Lianjun
（College of Physical and Electrical Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China）

We self-designed and developed a refracting plane secondary reflection light concentrating photovoltaic de?vice,the characteristics of which include:planar reflection,with uniform illumination intensity on solar panels;the photo?voltaic units are vertically connected end to end,and the reflection stack can deplete the cosine effect;the periodic direc?tion regulating unit is fixed without moving parts,so the anti-typhoon capability is strong;the back panels for the prima?ry reflection and the second reflection lean against each other back to back,saving the floor area.The experimental study on the photovoltaic output characteristics shows that:compared with the conventionally-fixed solar panels without reflec?tion,the photoelectric output power of the secondary reflection concentrating power generation device is improved by 66.2%,and the cost is reduced by 32.1%.

diagonal second reflection；photovoltaic；focusing device

TK 514

A

1674-4942（2011）04-0400-03

2011-10-17

海南省重點(diǎn)科技計劃項目（ZDXM20100069）

黃 瀾