馬保宏

（1.河西學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院；2.河西學(xué)院新能源研究所，甘肅 張掖 734000）

1 引言

聚光光伏發(fā)電技術(shù)因其可以提高太陽能電池表面的輻射功率密度，進(jìn)而提高單位面積太陽能電池的輸出功率，降低光伏發(fā)電成本，具有較好的應(yīng)用前景［1-5］.聚光光伏系統(tǒng)對光輻照度均勻性有較高要求［6，7］，很多研究小組已對聚光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善平面接收器的能流均勻性［8-11］.顏健等對拋物碟式聚光器中各鏡面單元進(jìn)行優(yōu)化布置以提高能流均勻性.Meng等［9］利用基于矢量的自由曲面方法進(jìn)行反射式聚光器鏡面設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)顯著提升了目標(biāo)接收器（圓形或矩形平面接收器）的聚焦能流均勻性；黃啟祿等提出利用旋轉(zhuǎn)對稱二次曲面反射鏡產(chǎn)生均勻的方形光斑［10］.江守利等提出了等光強(qiáng)分布的折平板聚光系統(tǒng)［12］，該系統(tǒng)采用平板玻璃鏡反射聚光，雖然可以獲得均勻分布的輻射能流密度，但是系統(tǒng)所需反射板的數(shù)量、寬度、傾角及坐標(biāo)位置的計(jì)算過程相當(dāng)繁瑣.本文根據(jù)能量守恒和幾何光學(xué)的基本原理，設(shè)計(jì)了一種等光強(qiáng)分布的槽式反射聚光器，提出了反射面的柱面方程，理論研究了反射柱面的性質(zhì)和聚光器幾何參數(shù)的特點(diǎn).

2 聚光器設(shè)計(jì)

圖1 聚光器的光路分析圖

3 結(jié)果討論

3.1 光路圖驗(yàn)證

對（7）式，取聚光比為2，聚光比的倒數(shù)k 為0.5，太陽能吸收接受面的位置Y 為2m，半寬為1m，任意常數(shù)c在初始條件y|x=0=0 下的值為3.25，做出聚光器的剖面曲線，然后按平面鏡反射原理進(jìn)行驗(yàn)證，得到的光路驗(yàn)證如圖2所示.由圖2可知，垂直于x軸入射的平行太陽光經(jīng)反射面AB部分反射，在平面光伏電池的下表面得到能流密度均勻分布的反射光.

圖2 聚光器的光路驗(yàn)證圖

圖3 平面光伏電池的半寬對反射面面型結(jié)構(gòu)的影響

3.2 聚光器的反射柱面

圖4 平面光伏電池的位置對反射面面型結(jié)構(gòu)的影響

圖5 聚光比對反射面面型結(jié)構(gòu)的影響

3.3 聚光器的幾何參數(shù)

圖6給出平面光伏電池的位置、聚光比對平面光伏電池最大半寬的影響，圖中曲線1、2、3、4分別對應(yīng)平面光伏電池的位置是4m、6m、8m和10m.由圖6可以看出，平面光伏電池的位置越高，對應(yīng)的最大半寬越大；平面光伏電池的位置一定時(shí)，聚光比越大，其最大半寬越小.對圖中曲線進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，聚光比與平面光伏電池的最大半寬之間呈反比例函數(shù)關(guān)系，對應(yīng)曲線1、2、3、4擬合函數(shù)分別為

圖6 聚光比、平面光伏電池的位置與平面光伏電池最大半寬之間的關(guān)系

圖7 聚光比、平面光伏電池的位置與反射面最大半寬之間的關(guān)系

圖8 平面光伏電池的位置與反射柱面最大半寬之間的線性關(guān)系

具體設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算每塊鏡片的寬度、安裝傾角和坐標(biāo)位置［12］.本文所設(shè)計(jì)的聚光器其反射面連續(xù)光滑，開口寬度是625mm，設(shè)計(jì)時(shí)只需要將平面光伏電池的半寬、位置和聚光比帶入反射柱面的參數(shù)方程即可.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能流密度均勻分布的槽式反射聚光器，提出了反射柱面的曲面方程，理論研究了聚光器幾何參數(shù)的特點(diǎn)和反射柱面的性質(zhì).研究結(jié)果表明：1）反射柱面的剖面曲線呈凹曲線，其切線的斜率單調(diào)遞增；2）聚光比、平面光伏電池的半寬和位置均會(huì)影響反射柱面的面型結(jié)構(gòu).3）在聚光比和平面光伏電池的位置確定的情況下，平面光伏電池和反射柱面存在最大半寬.當(dāng)聚光比一定時(shí)，槽式反射面的最大半寬與平面光伏電池的位置呈線性關(guān)系.當(dāng)平面光伏電池的位置一定時(shí)，平面光伏電池和槽式反射面的最大半寬均與聚光比有關(guān).隨聚光比增大，平面光伏電池的最大半寬減小，二者之間呈反比例函數(shù)關(guān)系；槽式反射面的最大半寬先增大，達(dá)到一極值后緩慢減小.此外，與等光強(qiáng)分布的折平板聚光器相比，本文所設(shè)計(jì)的聚光器其反射面連續(xù)光滑，且可以避免反射面上每塊鏡片的寬度、安裝傾角和坐標(biāo)位置等繁瑣的計(jì)算過程.