林楚綿 伍俊研 吳肖邦

（肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 廣東肇慶 526061）

0 引言

近年來，人類社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的需求日益增加，化石能源過度開采帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的愿景下，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的清潔、低碳和高效利用，是當(dāng)下我國能源行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)［1-2］。太陽能發(fā)電作為1 種低碳、清潔的能源供給方式，是解決當(dāng)前世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的有效途徑。

目前，太陽能發(fā)電技術(shù)主要有2 種形式，分別為光熱發(fā)電技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)。其中，光伏發(fā)電技術(shù)因其規(guī)模小、安全可靠、能夠與建筑物相結(jié)合等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于光伏照明系統(tǒng)、光伏水泵系統(tǒng)、光伏建筑一體化建設(shè)等領(lǐng)域［3］。然而，目前的光伏發(fā)電技術(shù)仍存在因太陽能電池板生產(chǎn)成本高、發(fā)電功率低等問題而導(dǎo)致在廣大家庭用戶和學(xué)校等領(lǐng)域的應(yīng)用普及率低，利用聚光光伏發(fā)電技術(shù)可以很好解決這一問題。目前國內(nèi)外在聚光光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域已取得一定成就，主要有拋物面槽式、拋物面碟式和線性菲涅爾反射式等。根據(jù)文獻(xiàn)［4］所述，Sandia 國家實(shí)驗(yàn)室最早設(shè)計(jì)研發(fā)聚光光伏發(fā)電技術(shù)，并建成世界上第一座聚光光伏發(fā)電陣列。郭帥軍等［5］提出1 種新型槽式復(fù)合多曲面聚光光伏光熱供能裝置，利用光學(xué)軟件TracePro對(duì)不同入射偏角條件下裝置內(nèi)光線進(jìn)行追跡，結(jié)果表明該裝置內(nèi)多晶硅太陽能電池在太陽光線非正入射時(shí)的發(fā)電功率大于正入射時(shí)發(fā)電功率，該裝置綜合利用效率最大為75.4 %。趙正簡等［6］提出了1 種碟式高倍液浸聚光光伏系統(tǒng)，當(dāng)太陽直射輻照度為950 W/m2、環(huán)境溫度32 ℃時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)達(dá)到2 800 W/（m2·K）。以上聚光光伏系統(tǒng)都能很好實(shí)現(xiàn)的聚光效果，但仍存在規(guī)模大、光伏板電池隨聚光器運(yùn)行追蹤引起系統(tǒng)能耗大等問題導(dǎo)致該技術(shù)在家庭用戶和學(xué)校單位等應(yīng)用普及率低。本文提出1 種基于透射式線性菲涅爾的聚光光伏系統(tǒng)，采用單軸跟蹤、太陽能電池板固定安裝的方式，通過使用成本低、質(zhì)量輕、聚光效果好的線性菲涅爾透鏡，提高太陽輻射能量密度和單位面積太陽電池的發(fā)電功率，從而降低昂貴的太陽電池材料的使用量，減少生產(chǎn)成本和系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能量損失。

1 透射式線性菲涅爾聚光光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傾斜面上太陽光入射角與相關(guān)角度的關(guān)系如式（1）所示［7］。

式中：φ 為當(dāng)?shù)鼐S度；S0為傾斜面角；yn為傾斜面方位角；δ 為太陽赤緯角；ω 為太陽時(shí)角。

在太陽運(yùn)行過程中，由太陽時(shí)角ω 和太陽赤緯角δ 可以確定太陽的位置。以太陽時(shí)正午為0°、順時(shí)針方向?yàn)檎?jì)算，1 d 之中從上午8∶00 到下午16∶00，太陽時(shí)角從60°到+60°以每小時(shí)15°的角速度變化。對(duì)于北半球而言，將線性菲涅爾透鏡以南北方向放置，其傾斜面方位角yn=0°；將線性菲涅爾透鏡的傾斜面與地軸平行放置，即S0=φ；太陽時(shí)角ω 因線性菲涅爾透鏡不斷單軸追蹤太陽而可以認(rèn)為ω=0°。并且根據(jù)太陽全年運(yùn)行規(guī)律可知，1 a 內(nèi)太陽赤緯角從-23.45°到+23.45°不斷變化，而1 d 內(nèi)太陽赤緯角可以近似為恒定值。

基于以上對(duì)太陽光入射角的分析，設(shè)計(jì)了1 種基于透射式線性菲涅爾透鏡的聚光光伏系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)裝置主要由線性菲涅爾透鏡、太陽能電池板、支撐架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、腳架等組成。其中線性菲涅爾透鏡與太陽能電池板平行放置，且平行于地軸。采用單軸跟蹤方式，太陽能電池板固定安裝，線性菲涅爾透鏡與支撐架連結(jié)，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下繞太陽能電池板中心軸線自東向西追蹤太陽位置。選用精度較高的太陽能跟蹤器，追蹤角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度可視為相同。

圖1 聚光光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其安裝位置示意圖

2 聚光光伏系統(tǒng)光學(xué)性能研究

2.1 聚光光伏系統(tǒng)光學(xué)模型的建立

本文選用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)規(guī)格為800 mm×320 mm×2 mm，焦距為650 mm 的線性菲涅爾透鏡和規(guī)格為800 mm×60 mm 的太陽能電池板，在Solidworks 三維軟件中建立二者的幾何模型。根據(jù)對(duì)太陽運(yùn)行規(guī)律分析可知，太陽每天自東向西以每小時(shí)15°的角速度運(yùn)行，在Solidworks 三維軟件中建立線性菲涅爾透鏡和太陽能電池板的幾何關(guān)系模型，二者中心軸線的距離為650 mm，恰好等于線性菲涅爾透鏡的焦距。通過改變二者中心軸間的相對(duì)距離改變系統(tǒng)的幾何聚光比。將建好的幾何模型導(dǎo)入TracePro 光學(xué)軟件中進(jìn)行光學(xué)建模。根據(jù)文獻(xiàn)［8］可知，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是1 種輕質(zhì)、透明的聚合物，具有與玻璃幾乎相同的光學(xué)特性，且易通過塑料壓模、切割等方法制成。本文選用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)材質(zhì)為PMMA 的線性菲涅爾透鏡，在TracePro 光學(xué)軟件中將其材質(zhì)相應(yīng)設(shè)置為Plastic 中的PMMA 材料，環(huán)距設(shè)置為0.3 mm，將太陽能電池板表面的光線吸收率設(shè)置為92%。

在光線跟蹤模擬中，定義格點(diǎn)光源作為仿真光源，根據(jù)太陽輻射的特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)地面直接光譜AM1.5D［9］，將光線波長平均值設(shè)置為546.1 nm。根據(jù)當(dāng)?shù)靥柶骄椪諒?qiáng)度情況，設(shè)置格點(diǎn)光源輻照強(qiáng)度為1 000 W/m2，光線總數(shù)為128 000 根。根據(jù)全年太陽赤緯角的變化規(guī)律，在TracePro 光學(xué)軟件中設(shè)置格點(diǎn)光源光束方向從0°到23.45°變化，間隔為3.35°。

2.2 聚光光伏系統(tǒng)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)

通過TracePro 軟件對(duì)該聚光光伏系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，研究不同太陽赤緯角、太陽時(shí)角和幾何聚光比對(duì)該系統(tǒng)光學(xué)效率的影響，并與未增設(shè)聚光器的非聚光條件下光伏系統(tǒng)光學(xué)效率進(jìn)行比較分析。定義光學(xué)效率η 和幾何聚光比C，并根據(jù)式（2）和（3）進(jìn)行計(jì)算并建立數(shù)學(xué)模型。

式中：η 為光學(xué)效率；Q吸收為太陽能電池板表面吸收的總光通量；H 為線性菲涅爾透鏡寬度；L 為線性菲涅爾透鏡長度；Id為太陽能直射輻照度；C 為幾何聚光比；S1為線性菲涅爾透鏡采光面積；S2為太陽能電池板表面受光面積。

在TracePro 光學(xué)軟件中采用蒙特卡洛光線追蹤法進(jìn)行光線追跡。在相同太陽時(shí)角條件下，太陽光線透過線性菲涅爾透鏡聚焦到太陽能電池板上，聚光焦線的位置隨著太陽赤緯角的不斷變化而發(fā)生偏移，且偏移量隨著太陽赤緯角的不斷增大而增大，且聚光條件下太陽能電池板表面單位面積的光輻照度明顯高于非聚光條件。圖2～圖6 表示聚光光伏系統(tǒng)在不同幾何聚光比、太陽赤緯角和太陽時(shí)角條件下系統(tǒng)光學(xué)效率的變化情況。當(dāng)幾何聚光比一定時(shí)，在太陽赤緯角為0°～10.05°、太陽時(shí)角為0°～30°條件下，該系統(tǒng)光學(xué)效率基本不變。當(dāng)幾何聚光比和太陽赤緯角一定時(shí)，該系統(tǒng)光學(xué)效率隨著太陽時(shí)角的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，且該趨勢(shì)隨著太陽赤緯角的增大而逐漸顯著；當(dāng)幾何聚光比和太陽時(shí)角一定時(shí)，該系統(tǒng)光學(xué)效率隨著太陽赤緯角的增大而不斷下降，且該下降速率隨著太陽時(shí)角的增大而呈現(xiàn)先緩慢后加劇的趨勢(shì)。當(dāng)幾何聚光比C=1 時(shí)，在太陽時(shí)角一定的條件下非聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率隨著太陽赤緯角的增大而不斷下降，且下降趨勢(shì)不明顯；在太陽赤緯角一定的條件下非聚光光伏系統(tǒng)光學(xué)效率隨著太陽時(shí)角的增大而不斷下降，且下降趨勢(shì)隨著太陽時(shí)角的增大而更加顯著。

圖2 聚光比C=1 時(shí)聚光光伏系統(tǒng)全年光學(xué)效率變化曲線

圖3 聚光比C=13 時(shí)聚光光伏系統(tǒng)全年光學(xué)效率變化曲線

圖4 聚光比C=15 時(shí)聚光光伏系統(tǒng)全年光學(xué)效率變化曲線

圖5 聚光比C=17 時(shí)聚光光伏系統(tǒng)全年光學(xué)效率變化曲線

圖6 ω=0 時(shí)不同δ 和C 條件下光伏系統(tǒng)光學(xué)效率變化曲線

如圖6 所示，當(dāng)光線垂直入射時(shí)，在不同幾何聚光比條件下（除C=1 情況之外）該光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率基本不變。當(dāng)太陽時(shí)角ω=0°時(shí)，在太陽赤緯角一定的條件下，該光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率隨著幾何聚光比的增大而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且該變化趨勢(shì)隨著太陽赤緯角的增大而更加顯著（除C=1 情況之外）。當(dāng)幾何聚光比C=1，光線垂直入射時(shí)，非聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率達(dá)91.06%；當(dāng)幾何聚光比C=14、光線垂直入射時(shí)，聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率達(dá)到最大值79.11%。由二者對(duì)比和計(jì)算可知，聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率相對(duì)于非聚光條件下降低了15.11%，太陽能電池板的使用量相對(duì)減少了81.25%。

因此，通過在傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加聚光系統(tǒng)的辦法可以增大光伏系統(tǒng)的采光面積，提高太陽輻射能量密度，從而降低昂貴太陽能電池材料的使用量，提高聚光光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。但也損失了一部分光能量，降低了光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率。

3 結(jié)論

本文提出了1 種基于透射式線性菲涅爾透鏡的聚光光伏系統(tǒng)，通過Solidworks 三維軟件和TracePro 光學(xué)軟件對(duì)線性菲涅爾透鏡和太陽能電池板和二者的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行建模和仿真模擬實(shí)驗(yàn)，研究和分析了對(duì)不同太陽赤緯角、太陽時(shí)角和幾何聚光比對(duì)該聚光光伏系統(tǒng)和非聚光光伏系統(tǒng)光學(xué)效率的影響，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出以下結(jié)論，并提出對(duì)后期發(fā)展的建議：

（1）當(dāng)幾何聚光比和太陽赤緯角一定時(shí)，該聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率隨著太陽時(shí)角的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且該趨勢(shì)隨著太陽赤緯角的增大而逐漸顯著；幾何聚光比和太陽時(shí)角一定時(shí)，該聚光光伏系統(tǒng)光學(xué)效率隨著太陽赤緯的增大而不斷下降，且下降趨勢(shì)隨著太陽時(shí)角的增大而呈現(xiàn)先緩慢后顯著的特征。

（2）當(dāng)太陽時(shí)角ω=0°時(shí)，在太陽赤緯角一定的條件下，該光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率隨著幾何聚光比的增大而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且該變化趨勢(shì)隨著太陽赤緯角的增大而更加顯著（除C=1 情況之外）。聚光光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率相對(duì)于非聚光條件下降低了15.11%，太陽能電池板的使用量相對(duì)減少了81.25%。

（3）通過在傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加聚光系統(tǒng)的辦法可以增大光伏系統(tǒng)的采光面積，提高太陽輻射能量密度，從而降低昂貴太陽能電池材料的使用量，提高聚光光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可行性。但也損失了一部分光能量，降低了光伏系統(tǒng)的光學(xué)效率。后期可以通過在太陽能電池板上增設(shè)二次聚光器的辦法攔截逃逸光線，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的光學(xué)效率。