孫健

(景德鎮(zhèn)陶瓷學院材料科學與工程,景德鎮(zhèn)333001)

光伏發(fā)電由于過高的成本和較低光電轉換效率,推廣應用受到了限制,降低太陽能光伏發(fā)電的成本,促進光伏發(fā)電技術的應用是當前研究的重要課題。聚光發(fā)電可以用比較便宜的聚光器來部分代替昂貴的太陽電池[1-2],在滿足相同用電負荷要求的前提下減少光伏電板使用面積,達到降低太陽能光伏發(fā)電成本的目的。復合拋物面聚光器(CPC)是一種根據(jù)邊緣光學原理設計而成的聚光器,它由二片槽形拋物面反射鏡組成,人射光線在CPC中通過一次或多次反射到達接收表面,光線傳遞過程損失較少,并可對接收角范圍內的傾斜人射的光線進行有效收集,可達到最大理論聚光比,聚光性能非常接近于理想聚光器。CPC的運行不需要時時跟蹤太陽位置,可以采用單軸跟蹤或者免跟蹤,只需根據(jù)季節(jié)調節(jié)方位,組件成本大大降低。太陽能聚光光伏系統(tǒng)中聚光器的光學特性對系統(tǒng)的性能有直接影響,不過由于聚光器光線入口處反光板聚光效果較差,為了降低聚光器的制造成本在實際應用時一般都適當截去聚光器入口處反射面低效部分,達到減少反射面用材的目的[3-4],本文將根據(jù)復合拋物面聚光光伏系統(tǒng)的工作原理建立聚光光伏系統(tǒng)的物理模型,根據(jù)模型應用Tracep ro軟件對不同聚光比和截短比的復合拋物面器的光學性能進行計算,分析截短后的聚光器對系統(tǒng)光學性能的影響。

1 結構參數(shù)

圖1是復合拋物面聚光光伏系統(tǒng)的剖面結構示意圖,主要是由具有一定強度的透光性能良好的玻璃蓋板、拋物面形反射面和吸收面組成,吸收面放置在聚光器的出口,與聚光器出口相連接的吸收面主要結構形式有平板型、豎板型、三角型和圓管型,在太陽能聚光光伏系統(tǒng)中應用最多的是平板型。

圖1 CPC光伏系統(tǒng)的剖面

CPC的主體是中心軸對稱的兩片槽式拋物面反射鏡;圖中兩條斜虛線是入射限制線,分別與反射面拋物線的主軸平行。入射限制線與聚光器對稱軸夾角θ稱為接收半角,當從CPC上端口入射的光線入射角小于或等于θ時,光線可直接或者經過反射最終到達CPC下端的太陽能電池板,而當入射角大于θ時,光線經過多次反射從聚光器上端的玻璃蓋板射出不能被利用[5-6]。聚光器中的幾何聚光比和聚光器高度等重要結構參數(shù)都與θ有關[4]。

幾何聚光比C:

式中:θmax為聚光器最大的入射角。

聚光器的焦距:

其中a為CPC的光線出口長度,即光伏板寬度。

聚光器的高度:

其中L為CPC光線入口長度,即玻璃蓋板寬度。

由于CPC反光鏡面積較大,但是反光鏡上部聚光效果較差,因此隨著反光鏡高度的增加聚光效果并沒有改善多少,特別是較高聚光比聚器中這一缺陷體現(xiàn)得更加明顯。為了克服這一缺點,實際應用中適當截去上部聚光效率低的部分,從而達到減少用材降低成本,提高系統(tǒng)性價比的目的。CPC經過截短后的高度與原高度的比值,稱之為截短比。

2 模擬方案

TracePro是一個實體模型光學分析軟件,普遍用于照明系統(tǒng)、光學分析、輻射分析及光度分析,具有強大光學分析功能和數(shù)據(jù)轉換能力。TracePro軟件可將光線引入模型,在模型的每個物理表面或者交點處,每條光線都遵從吸收、反射、折射、衍射和散射定律。當光線在實體中沿不同的路徑傳播時, TracePro跟蹤每條光線以及計算光的吸收,鏡面反射及折射、衍射和散射能量。因此,可以通過T racePro軟件建立聚光器的物理模型、設置合理的光源參數(shù)、選擇合適的系統(tǒng)材料和表面性能參數(shù),分析聚光系統(tǒng)的各表面光強分布和光線數(shù)量等參數(shù)。

蒙特-卡羅(Monte Carlo)法是一種利用重復的統(tǒng)計試驗來求解物理或數(shù)學問題的方法,具有思路簡單、易于實現(xiàn)、對復雜問題有很好的適應性。在應用該方法進行計算時,假定進入系統(tǒng)的太陽輻射能是由大量相互平行的光束組成,由光源的入射參數(shù)確定每一束光攜帶的能量,發(fā)射點位置則是在某一平面隨機產生。某一光束與系統(tǒng)內表面的吸收、反射或折射是隨機的,若光束被漫反射表面反射,其反射方向亦隨機,所有這些隨機性行為符合物理定律的概率模型來描述和確定。在計算中,跟蹤記錄每一束光的行蹤直到它被吸收或者逸出系統(tǒng),然后再跟蹤下一束光線,通過跟蹤大量的光束,將結果平均就可以確定進入系統(tǒng)被吸收或者由開口逸出的光線數(shù)量,從而確定聚光器光學性能。

利用 Monte Carlo法追跡所有進入系統(tǒng)的光線,可以計算太陽能電池板吸收、出射的光線數(shù)量從而得出太陽能電池表面的能流分布;通過不同的入射角下的模擬可以分析各種CPC光伏系統(tǒng)的聚光效果。本文將采用6倍聚光和2倍聚光的CPC光伏系統(tǒng),以及截短1/3的2倍聚光和截短2/3的6倍聚光CPC光伏系統(tǒng),見圖2。CPC光伏系統(tǒng)采用材料的光學性能見表1;6倍聚光和2倍聚光CPC光伏系統(tǒng)聚光器的幾何參數(shù)見表2。

表1 CPC光伏系統(tǒng)采用材料的光學性能

所設計的聚光器蓋板厚度為4mm,在2倍非截短時的尺寸為1 100 mm×220 mm×4 mm,系統(tǒng)中電池板的數(shù)量是10塊,所選硅片的幾何尺寸為110 mm×110 mm×0.3 mm,沿著聚光器的長度方向上串聯(lián)。采用柵格光源,考慮到太陽形狀對光線模擬結果的影響,光源設置成太陽光,其主要數(shù)據(jù)采用文獻[8]提供的觀測數(shù)據(jù),太陽光強度采用平均輻射強度800W/m2,設定追跡光線數(shù)量為1 000。

圖2 不同聚光比和截短比時復合拋物面聚光光伏系統(tǒng)模型

表2 兩種CPC的幾何參數(shù)

3 模擬結果與分析

圖3至圖7是在相同光照強度下不同結構尺寸太陽能聚光光伏系統(tǒng)在電池上表面能流密度分布圖。由圖3可以看出在聚光率為6時,太陽電池表面平均光照強度可以達到4 500W/m2,高光強部位主要在電池表面中間部位。圖4表明,6倍聚光經過截短2/3后光強降低不是很明顯,平均光強可以達到4 200W/m2,并且集中在電池的中部。

圖5-7是聚光率為2不同截短比時,太陽能電池表面的能流密度分布云圖?？梢钥闯?聚光率為2的聚光器及其經過截短后電池表面光照強度都比較均勻,聚光器截短1/3后光照強度能流密度分布變化不大,平均光照強度可以達到1 200W/m2,但是聚光器截短2/3后光照強度有明顯降低,平均光強為1 100W/m2。從聚光器性價來看,截短1/3的聚光器反射面的材料用量少,但聚光后的光強分布變化不大,因此其性價比要比非截短聚光器的好,是2倍聚光器中較理想的選擇。

圖3 6倍聚光時電池表面的能流密度

圖4 6倍聚光截短2/3時電池表面能流密度

圖5 2倍聚光時電池表面的能流密度

圖6 2倍聚光截短1/3時電池表面能流密度

圖7 2倍聚光截短2/3時電池表面能流密度

4 結論

分析了復合拋物面聚光器的聚光原理,建立了不同聚光比在不同截短情況時聚光光伏系統(tǒng)的物理模型,采用蒙特-卡羅(M onte Carlo)法應用Tracepro軟件對復合拋物面聚光光伏系統(tǒng)的光學性能進行了計算和分析。結果表明:6倍CPC聚光系統(tǒng)電池表面的平均光照強度可達4 500W/m2,并且主要集中在電池的中間部位,6倍聚光器截短2/3后對聚光性能的沒有明顯的影響;2倍CPC聚光系統(tǒng)電池表面的平均光照強度達到1 200W/m2,聚光器截短2/3后對聚光性能有明顯的影響,會造成吸收表面光照強度降低,截短1/3的聚光器的性價比要比非截短聚光器的好,是低倍聚光器中較理想的方案。

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