袁全紅

(廣東科技學(xué)院,廣東 東莞 523083)

太陽能作為一種清潔能源，由于具有普遍性、無害性和長久性等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)化石能源相比優(yōu)勢明顯[1]。近年來晶體硅太陽能電池組件發(fā)電效率提升緩慢，平均每年約提高僅0.5%，而雙面光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，雙面組件的市場占比快速上升，業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)今年將迎來雙玻組件的爆發(fā)增長，而2025年將達(dá)到60%，成為市場主流產(chǎn)品。和單面組件相比，雙面組件的兩面均可接收太陽光，發(fā)電量更大[2]。如目前單晶光伏組件的正面轉(zhuǎn)換效率一般為18%～22%，而用透明背板(玻璃或者透明背板)封裝而成的雙面光伏組件，背面的光電轉(zhuǎn)換效率是正面的60%～90%。如果背面光照強(qiáng)度與正面一樣，那么，雙面光伏發(fā)電量可提高60%～90%。但是由于背面光照強(qiáng)度低，因此背面發(fā)電量的效果不佳，如雙面光伏組件在草地上應(yīng)用發(fā)電量僅提高4.69%～8.24%，在沙地可提高8.06%，在白石子地面可提高20%，在鋁箔地面可提高25.30%，而在雪地上發(fā)電量最多也只能提高30%[3-4]。可見，對(duì)于雙面光伏發(fā)電關(guān)鍵是要能提高背面光照強(qiáng)度，才能真正發(fā)揮其優(yōu)勢。

通過聚光系統(tǒng)可以提高光照強(qiáng)度，目前聚光方式可分為折射式聚光和反射式聚光。折射式聚光目前應(yīng)用廣泛，小口徑時(shí)，多采用效率更高的普通透鏡，大口徑時(shí)多采用菲涅爾透鏡，加工材料更便宜，但是其可靠性差、壽命短、系統(tǒng)發(fā)電能力不佳[5]。反射式聚光器通常采用曲面玻璃(背面鍍銀)或曲面鍍膜鋁板制成，其反射系數(shù)可達(dá)95%以上。但是目前的聚光系統(tǒng)中，雖然聚光系數(shù)很大，但多為特制的小尺寸光伏電池，因此市場規(guī)模有限。如果能針對(duì)雙面太陽能電池組件，開發(fā)出背面聚光裝置，就能大幅度提高組件的發(fā)電量[6]。

1 單平面鏡反射聚光的原理

如圖1所示，設(shè)PV板的長度為KN，最低點(diǎn)K的垂足為O點(diǎn)，光伏板采用實(shí)時(shí)追蹤，始終與太陽光垂直，設(shè)PV板的傾角為a。S為平面鏡的右端點(diǎn)，S點(diǎn)的反射光剛好到達(dá)光伏板上邊N點(diǎn)，如果鏡面右端點(diǎn)S與PV板最低點(diǎn)的高度差為h不變，隨著a變大，則S點(diǎn)需要在水平面不斷右移。平面鏡M點(diǎn)的反射光剛好到達(dá)光伏板下邊的K點(diǎn)，則MS為此時(shí)的有效鏡面長度。設(shè)光伏板的長度為L，平面鏡的傾角為n，平面鏡光線的入射角為r，光伏板背面的入射角為b。

如圖1所示，則各幾何參數(shù)關(guān)系如下

圖1 平面鏡反射原理圖(L=5)

OS=h×tg(a)，KS=h/cos(a),tg(2r)=L×cos(a)/h，b=2r。

MS=2×h×sin(r)/cos(a)，n=r-a；

幾何聚光比p為系統(tǒng)的光線入射面與光線接收面的面積比，由于此處平面鏡反射光線是平行光，所以也等于光線入射面MS與光線接收面KN的長度比；光學(xué)聚光比P是指光線接收面與光線入射面的平均輻照度之比，由于光伏板背面反射光線是平行光，所以其入射角b相同，P也等于幾何聚光比p與反射效率η(即反射系數(shù))和cos(b)的乘積,所以滿足如下關(guān)系：

p=MS/KN;P=p×η×cos(r)×cos(b);

取h=1.2L，通過MATLAB編程，可以得出各參數(shù)隨PV板傾角a的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 左平面鏡反射時(shí)各參數(shù)的變化曲線

由圖2可以看出：h=1.2 L時(shí)，當(dāng)PV板在水平面的傾角a從0°升高到60°時(shí)，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角n基本為線性變化，n從-18.9°(負(fù)數(shù)表示向上轉(zhuǎn)動(dòng)，反之向下轉(zhuǎn)動(dòng))升高到48.7°；平面鏡光線的入射角為r從19.9°緩慢降到到11.3°。鏡面右端點(diǎn)S的水平位置OS從0緩慢升到10.4，此時(shí)剛好為電池板長度的2倍。平面鏡有效反射區(qū)長度MS從4.09緩慢升到4.71,幾何反射強(qiáng)度p從0.82緩慢升到0.94。電池板背面反射光線入射角b從39.8°緩慢下降到22.6°；按照鏡面反射率為0.95計(jì)算，光強(qiáng)反射強(qiáng)度P則從0.56緩慢升到0.81，通過積分可得，此時(shí)電池板背面接收的反射光強(qiáng)平均為0.65。

同理h=1.6L時(shí)，當(dāng)PV板在水平面的傾角a從0°升高到60°時(shí)，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角n基本為線性變化，n從-15°(負(fù)數(shù)表示向上轉(zhuǎn)動(dòng))升高到51.3°；平面鏡光線的入射角為r從16°緩慢降到到8.9°。鏡面右端點(diǎn)S的水平位置OS從0緩慢升到13.8。平面鏡有效反射區(qū)長度MS從4.41緩慢升到4.83,幾何反射強(qiáng)度p從0.88緩慢升到0.97。電池板背面反射光線入射角b從32°緩慢下降到17.4°；反射光強(qiáng)度P則從0.71緩慢升到0.88，通過積分可得，此時(shí)電池板背面接收的反射光強(qiáng)平均為0.75。由此可見，h越大，光線反射強(qiáng)度P越大，但平面鏡長度也略大，而且平面鏡水平位移OS也越大，裝置反射需要的活動(dòng)空間也越大。為了適當(dāng)降低本裝置的活動(dòng)空間，取h=1.2L。

2 雙平面鏡反射聚光的分析

如果在光伏板右側(cè)也安裝一塊平面鏡TS′，則反射光也能完全照射到電池板背面，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)雙平面鏡反射，如下圖3所示。

圖3 雙平面鏡反射原理圖(L=5)

設(shè)平面鏡與PV板KN最低點(diǎn)的高度差取h=1.2L不變，光伏板采用實(shí)時(shí)追蹤，始終與太陽光垂直。S′為右平面鏡的右端點(diǎn)，T為右平面鏡的左端點(diǎn)，T點(diǎn)的反射光剛好到達(dá)光伏板下邊K點(diǎn)，S′點(diǎn)的反射光剛好到達(dá)光伏板上邊N點(diǎn)，則TS′為此時(shí)的右鏡面有效長度。設(shè)光伏板的傾斜角為a，KN長度為L，右平面鏡的傾角為n′，右平面鏡光線的入射角為r′，KT與水平面夾角為t，光伏板背面右側(cè)反射光線的入射角為b′,右鏡反射光強(qiáng)幾何系數(shù)為p′，右鏡反射光強(qiáng)幾何系數(shù)為P′。如圖3所示，則各參數(shù)關(guān)系如下

tgr′=L/h/cos(a)+L×tag(a))/2，t=90-a-2×r′,n′=90-t-r′;

OT=h/tag(t),OS=h/cos(a)；

ST=OT-OS，MS′=L×p′;

p′=2×(L/tag(90-a)+h/sin(90-a))×sin(r′)/L;

P′=p′×cos(90-a-t)×cos(r′)×η;

通過MATLAB編程，可以得出各參數(shù)隨PV板傾角的a變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 右平面鏡反射時(shí)各參數(shù)的變化曲線

可以看出：當(dāng)h=1.2L不變，PV板在水平面的傾角從0°升高到60°時(shí)，反射光線入射角r，反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)角n，光線反射后與水平面夾角t都為線性變化：r′從19.7°降到6.8°；n′從20.7°升高到66.8°；t從50°升高到16.4°。鏡面有效長度從4.1增大到4.9，左鏡面右端點(diǎn)S的水平位置OS從0升到10；左、右鏡距離TS從5升到10，而右鏡面左端點(diǎn)T的水平位置OT從5.1快速升到20.9。

同時(shí)幾何反射強(qiáng)度p′從0.82增大到0.98，光強(qiáng)反射強(qiáng)度系數(shù)P′則從0.57增大到0.90，積分得右鏡反射光強(qiáng)度平均系數(shù)為0.75。如果左平面鏡MS和右平面鏡TS′同時(shí)作用，雙平面鏡反射光疊加后，a從0°增大到60°時(shí)，兩鏡總反射光強(qiáng)度系數(shù)PP則從1.12增大到1.71，左鏡、右鏡及雙鏡反射光線強(qiáng)度系數(shù)隨PV板傾角a的變化曲線如圖5所示。通過積分可得電池板背面接收總的反射光強(qiáng)平均為1.396，因此，雙鏡反射效果更好，超過正面輻射強(qiáng)度39.6%。對(duì)于一般雙面光伏組件背面的光電轉(zhuǎn)換效率是正面的70%以上，那么背面發(fā)電量就能超過正面，即發(fā)電量提高1倍以上。

圖5 左鏡、右鏡及雙鏡反射光線強(qiáng)度變化

3 太陽有關(guān)角度的計(jì)算

及時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算太陽的角度是準(zhǔn)確跟蹤太陽光線，提高發(fā)電量的前提[7]。赤緯角δ為地球中心與太陽中心連線與地球赤道平面的夾角。它僅由日期號(hào)n(一年的第n天)決定。通?？捎蒀ooper公式近似計(jì)算，本文采用更精確的計(jì)算方法，即

(1)

a1-a4分別為從春分日、夏至日、秋分日、冬至日開始計(jì)數(shù)的天數(shù)[8]。

時(shí)角ω為各時(shí)刻地球自轉(zhuǎn)的角度，地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)的角度為15°，并規(guī)定正午時(shí)角為零，上午時(shí)間取負(fù)，下午時(shí)角為正。

太陽高度角h為地球表面上某點(diǎn)與太陽的連線與地平面之間的夾角，當(dāng)太陽出沒地平線的瞬間h為0。h與當(dāng)?shù)鼐暥圈?、時(shí)角ω、赤緯角δ有關(guān)，由下式計(jì)算

sinh=sinφsinδ+cosφcosω

(2)

太陽方位角γ為太陽至地面上某給定點(diǎn)的連線在水平面上的投影與正南向(當(dāng)?shù)刈游缇€)的夾角。規(guī)定:偏東為負(fù)，偏西為正。太陽方位角γ可由下式計(jì)算

sinγ=cosφsinω/cosh

(3)

根據(jù)以上公式，通過MATLAB編程，可以求出任何地點(diǎn)如何時(shí)刻的太陽角度，如東莞市(φ=23.05°)8.28日太陽高度角和方位角的變化曲線如圖6。

圖6 太陽高度角和方位角的變化曲線

4 平面鏡聚光發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)

雙平面鏡聚光發(fā)電裝置如圖7右所示，整個(gè)裝置也由旋轉(zhuǎn)底座，電池板支架和反射鏡支架3大部分組成。旋轉(zhuǎn)底座左側(cè)下方的轉(zhuǎn)動(dòng)軸安裝在地面的固定軸套內(nèi)，右側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪使底座轉(zhuǎn)動(dòng)，為對(duì)太陽的方位角γ進(jìn)行跟蹤，設(shè)底座轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為R，如圖8所示，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角β為

圖7 雙平面鏡聚光發(fā)電裝置圖[9]

圖8 雙平面鏡聚光發(fā)電參數(shù)分析圖

β=Rγ/r(r為滾輪半徑)

(4)

電池板左側(cè)為固定支架，兩個(gè)平面鏡下側(cè)支架可以左右移動(dòng)，分別用兩個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)絲杠控制其水平位移,即OS和OT。光伏板和平面鏡的傾角統(tǒng)一采用鋼絲拉線來調(diào)節(jié)，利用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制三根拉線的長度l1、l2、l3來調(diào)節(jié)傾角。即可分別控制電池板傾角a、左平面鏡傾角n和右平面鏡的傾角n′。由圖7，則有關(guān)系式如下

(5)

(6)

(7)

采用拉線結(jié)構(gòu)更簡單緊湊，且能減少光線的遮擋。反射鏡還可采用鍍膜鋁板，更輕便。三角形底板的中心設(shè)有一個(gè)單片機(jī)控制器，適應(yīng)性廣，成本較低。設(shè)定好當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度，控制器就能自動(dòng)計(jì)算出每天任一時(shí)刻太陽的方位角和高度角。再輸出控制信號(hào)，控制各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的實(shí)時(shí)跟蹤，提高發(fā)電量。對(duì)于多塊光伏板組成的發(fā)電陣列，采用本裝置，控制系統(tǒng)成本相對(duì)更低，經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

5 結(jié)論

本文通過分析，得出了以下結(jié)論：

(1)計(jì)算表明，反射鏡與光伏板的垂直距離h越大，光線反射強(qiáng)度P越大，但平面鏡長度L和活動(dòng)空間也越大。

(2)在左右兩側(cè)各采用一個(gè)平面鏡，反射光疊加后效果更好。當(dāng)h=1.2L不變，光伏板傾角從0增大到60°時(shí)，兩鏡總反射光強(qiáng)度系數(shù)PP則從1.12增大到1.71。對(duì)于一般雙面光伏組件背面的光電轉(zhuǎn)換效率大大超過正面的60%，所以背面發(fā)電量就能超過正面，即發(fā)電量提高1倍以上。

(3)本雙平面鏡聚光發(fā)電裝置的傾角調(diào)節(jié)采用拉線結(jié)構(gòu)簡單緊湊，且能減少光線的遮擋。通過控制相應(yīng)的拉線長度，可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電池板及平面鏡的方位角和傾角，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角的實(shí)時(shí)跟蹤。

(4)本裝置采用一個(gè)單片機(jī)集中控制，適應(yīng)性廣，成本較低。設(shè)定好當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度，控制器就能自動(dòng)計(jì)算出每天任一時(shí)刻太陽的方位角和高度角。再根據(jù)時(shí)間輸出控制信號(hào)，控制各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于多塊光伏板發(fā)電陣列，采用本裝置，控制系統(tǒng)成本相對(duì)更低，經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。