徐熙平，姜?jiǎng)匍?/p>

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

隨著化石能源的不斷開采利用，目前太陽能光伏發(fā)電受到了國內(nèi)外研究人員高度的關(guān)注，被認(rèn)為是清潔能源中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟的技術(shù)之一［1-3］。光電池經(jīng)過幾代的發(fā)展，也已經(jīng)逐漸成熟。聚光光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能聚光熱效應(yīng)，將光能通過光電池轉(zhuǎn)化為電能，大大縮小了光電池的采光面積，提高了太陽能的能流密度和光電轉(zhuǎn)化效率。

在聚光光伏發(fā)電技術(shù)（Concentrator Photovoltaics，CPV）中，太陽射線通過聚光模塊最后集中在相對(duì)較小的光電池上，從而可以達(dá)到節(jié)約材料的目的［4，5］。通常，此系統(tǒng)可以按照聚光比大小分為兩類：聚光比大于300的高聚光比聚光光伏系統(tǒng)和聚光比在1～300之間的低聚光光伏系統(tǒng)。多結(jié)光電池在中低聚光光伏系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)化效率并沒有達(dá)到一個(gè)峰值。高聚光比聚光光伏系統(tǒng)是利用光線點(diǎn)聚焦原理的聚光器作為太陽射線收集和傳播的模塊，而中低聚光比聚光光伏系統(tǒng)是將光線匯聚到光電池呈線性分布的單軸上，從材料成本和轉(zhuǎn)化效率看，兩者各有利弊，高聚光比聚光光伏系統(tǒng)成本高，轉(zhuǎn)換效率高，中低聚光比光伏系統(tǒng)成本低，轉(zhuǎn)換效率低。截止2018年底，以高聚光比聚光光伏系統(tǒng)（361 MW）為主的聚光器已累計(jì)裝機(jī)容量387 MW，目前已全部安裝完畢。然而中低聚光光伏系統(tǒng)并沒有進(jìn)行一個(gè)商業(yè)的量產(chǎn)，存在著一定限制因素。因此，將重點(diǎn)介紹聚光光伏系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和各個(gè)模塊組成原理，用以說明如何能有效地提高光學(xué)效率和聚光比。

1 聚光光伏系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

圖1 商業(yè)化的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)

1996年，Gordon等提出了二階線聚焦反射型聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［6］，如圖2所示，該聚光系統(tǒng)由一面一次聚光拋物線反射鏡和二次聚光V型槽組成，其中拋物線反射鏡焦距為1 490 mm，反射鏡開口寬度為2 470 mm；二次聚光V型槽深度為72 mm，出光口寬度為176 mm；光電池寬度為33 mm。利用該聚光系統(tǒng)能夠在50～100聚光比條件下獲得較高的聚光效率和能流密度分布。隨著光電池的研究發(fā)展，2007年，西班牙Abengoa Solar公司建成了世界上首座塔式太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)PS10太陽能熱發(fā)電站［7］，站中配備624片追日鏡，峰值功率11 MW。隨后，Abengoa Solar公司對(duì)該發(fā)電站進(jìn)行了擴(kuò)建，于2009年建成PS20太陽能熱發(fā)電站，成為當(dāng)時(shí)世界最大的太陽能發(fā)電站。2016年，由于多結(jié)太陽能光電池的大規(guī)模應(yīng)用，聚光光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)生了突破性的進(jìn)展，從而推動(dòng)了高聚光比聚光光伏系統(tǒng)的研究發(fā)展［8］。實(shí)驗(yàn)表明，多結(jié)太陽能光電池的轉(zhuǎn)化效率在系統(tǒng)聚光比低于508的情況下可以達(dá)到46%。

圖2 二階線聚焦反射型聚光系統(tǒng)

在聚光光伏發(fā)電技術(shù)中，菲涅爾透鏡的開發(fā)利用起著關(guān)鍵性的作用。1979年，馬德里理工大學(xué)的Sala發(fā)表了一篇論文［9］，提出了一種利用較薄的硅樹脂層制作出來的菲涅爾透鏡，實(shí)驗(yàn)表明，該透鏡可以與光波導(dǎo)板配合使用。2000年，O’Neill設(shè)計(jì)了Fresnel透射型聚光系統(tǒng)，該聚光系統(tǒng)具有較高的聚光效率，結(jié)構(gòu)也更為輕量化［10］。這就讓菲涅爾透鏡在聚光光伏領(lǐng)域得到了廣闊的市場(chǎng)。2014年，于春巖等設(shè)計(jì)了一種透射式雙面菲涅耳聚光鏡［11］，如圖3所示。結(jié)果表明，光線在前后表面的光能損失大大減少；該系統(tǒng)與相同口徑和相同焦距的傳統(tǒng)菲涅耳透鏡相比，聚光效率提高了21.1%。

圖3 雙耳菲涅爾結(jié)構(gòu)模型圖

碟式聚光器是點(diǎn)聚焦反射型聚光器常見結(jié)構(gòu)之一。1992年，Jorgensen和Wendelin提出了多階碟式太陽能聚光器的設(shè)計(jì)［12］，該聚光器聚光比可達(dá)100-200，聚光光斑在正方形接收平面上能夠均勻分布。2017年，王進(jìn)軍等人針對(duì)傳統(tǒng)點(diǎn)聚焦菲涅耳透鏡聚光分布均勻性較差的問題［13］，設(shè)計(jì)了一種分區(qū)多焦點(diǎn)疊加方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡，如圖4所示。結(jié)果表明采用該方法設(shè)計(jì)的透鏡聚焦光斑形狀為方形，聚光均勻度高達(dá)90%以上。

圖4 多碟共焦太陽能聚光器模型

對(duì)于塔式太陽能聚光系統(tǒng)而言，其原理是將由定日鏡收集的光線反射到中心高塔的接收端（光電池），完成光電轉(zhuǎn)換。如圖5所示，國內(nèi)首座塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)于2006年在南京江寧建成［14］。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前并網(wǎng)發(fā)電的規(guī)?；瘍?chǔ)能塔式光熱電站——中控德令哈10 MW塔式光熱電站也已經(jīng)投入運(yùn)營，該發(fā)電站完全采用中控太陽能公司自主創(chuàng)新的技術(shù)及國產(chǎn)化裝備。

圖5 中控德令哈10MW塔式光熱電站

此外，美國太陽能廠SolarReserve在2016年提出了SandStone計(jì)劃，其核心內(nèi)容是花費(fèi)約50億美元在內(nèi)華達(dá)州打造號(hào)稱全球最大的太陽能發(fā)電站，并全天提供超過百萬戶的民生用電［15］。該發(fā)電站中的太陽能聚光器擬采用多塔式太陽能聚光系統(tǒng)，利用超過10萬片追日鏡將收集到的太陽光線反射至高塔中，通過塔中的熔鹽能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)將水煮沸，推動(dòng)氣渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 美國Ivanpah塔式太陽能發(fā)電站

隨著市場(chǎng)中對(duì)太陽能光線的追蹤精度要求越來越高，聚光器與跟蹤軸的配合使用是必然趨勢(shì)。跟蹤軸分為單軸和雙軸系統(tǒng)［16］，其中單軸跟蹤器屬于季節(jié)性追蹤系統(tǒng)；而雙軸跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)全年太陽的運(yùn)行方式，不斷地變化聚光器的光線接受角度，盡可能地以最高的光學(xué)效率完成光電轉(zhuǎn)換，然而相對(duì)于單軸跟蹤器其成本略高［17］。2014年，Teng等提出了一個(gè)創(chuàng)新性的復(fù)合跟蹤軸，該結(jié)構(gòu)分為一個(gè)機(jī)械單軸追蹤器和一組可傳動(dòng)棱鏡片［18］，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)表明，可傳動(dòng)棱鏡組可以校正由于太陽運(yùn)行造成的聚光器接收角度的誤差。

圖7 復(fù)合跟蹤軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 聚光器中的組件及具體設(shè)計(jì)要求

2.1 聚光模塊中主要的光學(xué)特性

光學(xué)效率ηopt作為聚光器系統(tǒng)中最重要的性能參數(shù)，它可以通過最終傳輸?shù)焦怆姵厣系哪芰抗β剩≒flux,cell）與開始時(shí)聚光器收集到總的太陽射線能量功率（Paperture）的比值來計(jì)算得出：

光線在聚光器傳播的過程中，引起能量功率減小的原因主要是光學(xué)透鏡中存在的菲涅爾損耗，其包括了透鏡材料的吸收損耗、透鏡對(duì)入射到表面的光線反射損耗和由于菲涅爾透鏡形狀和結(jié)構(gòu)不均勻造成的散射損耗。此外，也需要考慮在透射系統(tǒng)中不可避免的色散損耗。不單單是在透鏡中發(fā)生的光線能量損耗，在實(shí)際加工裝配的過程中，系統(tǒng)的配置公差對(duì)光線能量的影響也是相對(duì)較大，比如光電池位置擺放和集熱器對(duì)光線的部分遮擋（卡塞格林系統(tǒng)中二次雙曲面元件對(duì)入射光線的遮擋）。在實(shí)際的應(yīng)用中，考慮到風(fēng)阻和天氣的影響，通常都會(huì)利用一層可透射的玻璃層作為保護(hù)元件，這樣就會(huì)導(dǎo)致光線進(jìn)一步的反射損耗。如圖8所示，聚光模塊中的具體參數(shù)對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)影響較大。其中，焦距f決定著模塊的高度，半角θ決定著光線的接受面積和光線在其中發(fā)射時(shí)的傳播角度，這對(duì)于提高光學(xué)效率和控制系統(tǒng)的體積大小有著重要的意義。

教學(xué)中把培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的應(yīng)用能力放在首位，抓住課程教學(xué)的四要素，即從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評(píng)價(jià)方法等方面進(jìn)行課程教學(xué)模式改革，實(shí)現(xiàn)教師的教學(xué)觀念、方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念、方法的轉(zhuǎn)變.

圖8 基于菲涅爾透鏡的聚光器原理圖

聚光器中另一個(gè)重要的系統(tǒng)參數(shù)是聚光比Cgeo，其定義為太陽光線入射到聚光器上表面的面積Aaperture與光電池上光線最后照射的面積Acell,des的比值。

對(duì)于平板型光波導(dǎo)板太陽能聚光器的幾何聚光比可以簡(jiǎn)化為光波導(dǎo)板的長(zhǎng)度與寬度的比值。聚光光伏系統(tǒng)中的光線接受角度α是決定著市場(chǎng)發(fā)展的主要因素，角度越大，說明系統(tǒng)的公差范圍越高，潛在的市場(chǎng)前景也會(huì)相對(duì)較大。α被定義為聚光模塊可以向著太陽的方向移動(dòng)的角度。想要獲得最大的轉(zhuǎn)化能量，就要使聚光模塊時(shí)刻精確地對(duì)準(zhǔn)太陽。利用幾何聚光比和接受角度可以得到一個(gè)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)—聚光接受因子（CAP）［18］，可由如下公式表示：

進(jìn)一步地，根據(jù)熱力學(xué)守恒定律［20］，可以得到：

式中，θin和θout分別為輸入（光源）與輸出（被收集的光線）光束的最大角度；nin和nout分別為輸入介質(zhì)（空氣）和輸出介質(zhì)（位于聚光模塊和光電池之間）的折射率［21］。

上述的光學(xué)特性在所有種類的聚光系統(tǒng)中都是需要考慮的，光伏聚光器按照光線的傳播原理一般可分為成像光學(xué)系統(tǒng)和非成像光學(xué)系統(tǒng)。成像聚光光伏系統(tǒng)是利用點(diǎn)聚焦的原理，將光線會(huì)聚到光電池上，形成一個(gè)較小的光斑，可以利用科勒照明系統(tǒng)將光斑按照光電池的尺寸重新分布［22］，使得光線可以均勻分布，減少色差的影響。在成像系統(tǒng)中，一般可以使用非球面透鏡（包括菲涅爾透鏡）和拋物面反射鏡。非成像聚光光伏系統(tǒng)則不能形成一個(gè)較小的光斑，而是將光線以最大的能量轉(zhuǎn)遞，這使得光線的發(fā)散角度更大，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的光傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)要求較高。在設(shè)計(jì)非成像聚光光學(xué)元件時(shí)，需要保證最后的邊緣光線可以照射在光電池的邊緣［23］，這樣就使得其他光線都可以照射在光電池的表面，而不發(fā)生漏光現(xiàn)象。非成像系統(tǒng)中，可以通過全內(nèi)反射傳播光線，比如復(fù)合拋物面聚光器（CPC）等。

2.2 一級(jí)聚光光學(xué)模塊（POE）

一級(jí)聚光光學(xué)模塊可分為反射鏡光學(xué)元件和透鏡光學(xué)元件。在一定波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，反射鏡的光譜反射率較高，不會(huì)產(chǎn)生色差，因此可以獲得較高的光學(xué)效率。如圖9所示，給出了不同材料的表面光譜反射率的測(cè)量結(jié)果，并與標(biāo)準(zhǔn)的太陽參考光譜進(jìn)行了比較。則可以發(fā)現(xiàn)，鍍銀反射鏡的光譜反射率為94.6%，其光學(xué)性能最佳，由于考慮到成本的問題，一般使用鋁涂層反射鏡（光譜反射率為90.2%）［24］，實(shí)驗(yàn)表明，其市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值最大。

圖9 多種材料的光譜反射率比較示意圖

具有消色差性質(zhì)的點(diǎn)聚焦光學(xué)系統(tǒng)可以分為共軸系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)（非對(duì)稱）［25-27］。經(jīng)典的卡塞格林系統(tǒng)由拋物面反射鏡和雙曲面反射鏡組合而成，其原理是將光線經(jīng)過兩次反射，聚焦到雙曲面鏡的一個(gè)焦點(diǎn)上，同時(shí)在該焦點(diǎn)處放置小型光電池。整體的體積減小，光學(xué)效率提高，但是雙曲面鏡對(duì)入射光線的遮擋造成一定的光學(xué)損失。因此目前需要考慮的問題是如何將雙曲面鏡的體積減小同時(shí)也能滿足光線的有效會(huì)聚。在碟式聚光器和塔式聚光器中，通常使用大型的反射鏡，其面積大約在1～400 m2左右［28］，反射鏡的面型分別為拋物面和平面。從機(jī)械穩(wěn)定性的方面來看，塔式聚光器中的定日鏡面積相對(duì)較小，穩(wěn)定性較高；跟蹤軸的電源可以與發(fā)電塔內(nèi)部電路相連，從而減少了自身電機(jī)的數(shù)量和系統(tǒng)的重量。Lasich等提出了一種可以獨(dú)立控制的定日鏡，雖然加大了成本的花費(fèi)，但提高了發(fā)電功率和光學(xué)效率，實(shí)驗(yàn)表明，集熱塔的發(fā)電功率一般可在百瓦或兆瓦級(jí)別［29］。

利用若干個(gè)透鏡可以組成一級(jí)聚光光學(xué)元件，通常每個(gè)透鏡單元面積在4～1 000 cm2之間［30］，然后根據(jù)實(shí)際需要將透鏡進(jìn)行陣列并拼接。需要考慮選擇成本低、透射率高和組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的透鏡，這樣才能在市場(chǎng)中大規(guī)模使用。因此，利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制造的菲涅爾透鏡得到了廣泛的關(guān)注，然而，在實(shí)際制造中，刻槽的加工仍然是一個(gè)需要克服的難題。如圖9所示，PMMA在1 125 nm波段之內(nèi)，可以保持與二氧化硅玻璃相似的光譜透射率；其后波段的范圍內(nèi)，透過率雖然出現(xiàn)下降，但這一點(diǎn)對(duì)于多結(jié)光電池中的電流產(chǎn)生機(jī)制是有益的。

圖10 硅質(zhì)玻璃與PMMA的光譜透射率對(duì)比圖

透鏡需要考慮的缺點(diǎn)之一是由于不同波長(zhǎng)的光線發(fā)生的偏折角度不同而引起的色差損耗，另外材料的折射率會(huì)隨著溫度的變化而變化。因此必須將這兩種影響作為一個(gè)整體來考慮：色差引起的焦點(diǎn)光斑分離同時(shí)隨著溫度的變化引起的各個(gè)波段光線的焦距改變。Languy等提出了一種由PMMA和聚碳酸酯（PC）的復(fù)合材料制成的消色差菲涅爾透鏡［31］。Vallerotto等提出了另一種消色差菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將PMMA層覆蓋到由硅酮或乙烯-醋酸乙烯酯制成的玻璃板上。

2.3 二級(jí)聚光光學(xué)模塊

在聚光光伏系統(tǒng)中，引入二級(jí)聚光光學(xué)模塊可以提高光通量分布密度、光線接受角、光學(xué)效率。二級(jí)聚光光學(xué)模塊的加入不僅可以將聚光比提高到300～1 000，最重要的是其保證了聚光器與光電池的順利耦合，提高了系統(tǒng)的加工公差。光線正常經(jīng)過一次聚光之后，會(huì)聚在光電池上會(huì)發(fā)生光學(xué)色散現(xiàn)象并會(huì)在其隨意區(qū)域上將溫度提高，這無疑會(huì)縮短光電池的使用壽命。光線經(jīng)過二級(jí)聚光光伏模塊處理之后，將會(huì)改善光束質(zhì)量，讓光電池表面可以均勻地被光斑照射。

反射型的二級(jí)聚光光學(xué)模塊可以呈錐形，可以根據(jù)光電池的面積調(diào)整錐形的截面位置。通常，其不會(huì)被放在會(huì)聚光斑的過程中，以避免造成過大的光學(xué)損失。折射型二級(jí)聚光光學(xué)模塊有著相對(duì)反射型元件更高的聚光比和光線接收，Menard等提出了一種球形透鏡，這種透鏡可以增加接收角，使光通量分布均勻，并由于其形狀規(guī)則，所以更加易于制造。

采用反射或折射復(fù)合拋物面聚光器（CPC）可以最大程度地提高聚光比。Helmers等提出了一個(gè)由密集陣列元件組成的反射型CPC的模型，該模型可用于將光電池上的光通量分布均勻。由于光通量強(qiáng)度不同會(huì)導(dǎo)致光電池中激發(fā)電流不同，因此需要利用CPC實(shí)現(xiàn)均勻照明。Victoria等對(duì)可反射的圓錐面透鏡、錐體透鏡、CPC和圓形透鏡的光學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，無論選擇哪種光學(xué)實(shí)體，其光學(xué)性能都由光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際需求和自身的材料所決定。

3 結(jié)語

聚光光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展了30多年，已經(jīng)可以在一些太陽能資源豐富的地區(qū)使用。不斷地去研究新型高效的聚光模塊，使得光伏行業(yè)的市場(chǎng)前景更加廣闊，在以后的能源利用中，將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著光電池的技術(shù)不斷更新發(fā)展，其成本將會(huì)大大降低，行業(yè)將會(huì)迎來大規(guī)模地發(fā)展。然而，如何降低總體成本、提高系統(tǒng)的耐受性和提高系統(tǒng)總體的光學(xué)性能仍是今后所要研究的主要方向。