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)計方法分為非成像設(shè)計方法和成像設(shè)計方法［6］。成像設(shè)計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)計時往往帶來高寬比大，光照均勻性差等問題［7］。非成像設(shè)計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)計方法，并分別設(shè)計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)計方法的主要特點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)計效果并給后續(xù)設(shè)計提供優(yōu)化指導(dǎo)。最后分別制作了一個低倍硅電池聚光光伏組件和一個高倍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

1.1 設(shè)計要求和設(shè)計問題分析

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，對跟蹤支架承受強度、防風(fēng)防水性能要求高，不便于組件的運輸、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)計方法。本設(shè)計方法所設(shè)計的聚光組件的特點在于，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)計過程

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

圖3 設(shè)計流程圖Fig.3 Design procedure

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

4)運用第2)步得到的坐標(biāo)點在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)計過程 等比例面聚光的設(shè)計要求把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)計優(yōu)化。

2 設(shè)計結(jié)果分析和模擬結(jié)果分析

2.1 設(shè)計結(jié)果分析

本文分別設(shè)計了一個低倍線聚光器和一個高倍面聚光器，其中低倍線聚光器設(shè)計目的是為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)計過程編寫的數(shù)值計算程序，分別計算線聚光器和面聚光器反射鏡輪廓上的各點的坐標(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密度與擬合樣條曲線的方式方法有關(guān)。為了驗證設(shè)計理論和數(shù)值計算的準(zhǔn)確性，首先根據(jù)設(shè)計階段定義的光源進(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)計過程、數(shù)值計算程序和計算結(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)計原理。作為驗證該方法的有效性，本文分別設(shè)計了一個低倍線聚光器和一個高倍面聚光器。該設(shè)計原理的優(yōu)點在于，其設(shè)計方法的靈活性能夠滿足聚光器輕量化的設(shè)計要求。

2)本文設(shè)計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)計方法所設(shè)計的聚光光伏組件，能夠增加組件小型模塊化程度，方便組件的制造，運輸，安裝以及調(diào)試維護(hù)。

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