基于透射式线性菲涅尔的聚光光伏系统聚光特性研究

林楚绵 伍俊研 吴肖邦

（肇庆学院机械与汽车工程学院 广东肇庆 526061）

近年来，人类社会发展对能源的需求日益增加，化石能源过度开采带来的环境污染问题日益严重。在实现“双碳”目标的愿景下，构建以新能源为主体的新型电力系统实现能源系统的清洁、低碳和高效利用，是当下我国能源行业发展的目标［1-2］。太阳能发电作为1 种低碳、清洁的能源供给方式，是解决当前世界能源危机和环境污染问题的有效途径。

目前，太阳能发电技术主要有2 种形式，分别为光热发电技术和光伏发电技术。其中，光伏发电技术因其规模小、安全可靠、能够与建筑物相结合等优势广泛应用于光伏照明系统、光伏水泵系统、光伏建筑一体化建设等领域［3］。然而，目前的光伏发电技术仍存在因太阳能电池板生产成本高、发电功率低等问题而导致在广大家庭用户和学校等领域的应用普及率低，利用聚光光伏发电技术可以很好解决这一问题。目前国内外在聚光光伏发电技术领域已取得一定成就，主要有抛物面槽式、抛物面碟式和线性菲涅尔反射式等。根据文献［4］所述，Sandia 国家实验室最早设计研发聚光光伏发电技术，并建成世界上第一座聚光光伏发电阵列。郭帅军等［5］提出1 种新型槽式复合多曲面聚光光伏光热供能装置，利用光学软件TracePro对不同入射偏角条件下装置内光线进行追迹，结果表明该装置内多晶硅太阳能电池在太阳光线非正入射时的发电功率大于正入射时发电功率，该装置综合利用效率最大为75.4 %。赵正简等［6］提出了1 种碟式高倍液浸聚光光伏系统，当太阳直射辐照度为950 W/m2、环境温度32 ℃时对流传热系数达到2 800 W/（m2·K）。以上聚光光伏系统都能很好实现的聚光效果，但仍存在规模大、光伏板电池随聚光器运行追踪引起系统能耗大等问题导致该技术在家庭用户和学校单位等应用普及率低。本文提出1 种基于透射式线性菲涅尔的聚光光伏系统，采用单轴跟踪、太阳能电池板固定安装的方式，通过使用成本低、质量轻、聚光效果好的线性菲涅尔透镜，提高太阳辐射能量密度和单位面积太阳电池的发电功率，从而降低昂贵的太阳电池材料的使用量，减少生产成本和系统运行过程中的能量损失。

倾斜面上太阳光入射角与相关角度的关系如式（1）所示［7］。

式中：φ 为当地维度；
S0为倾斜面角；
yn为倾斜面方位角；
δ 为太阳赤纬角；
ω 为太阳时角。

在太阳运行过程中，由太阳时角ω 和太阳赤纬角δ 可以确定太阳的位置。以太阳时正午为0°、顺时针方向为正计算，1 d 之中从上午8∶00 到下午16∶00，太阳时角从60°到+60°以每小时15°的角速度变化。对于北半球而言，将线性菲涅尔透镜以南北方向放置，其倾斜面方位角yn=0°；
将线性菲涅尔透镜的倾斜面与地轴平行放置，即S0=φ；
太阳时角ω 因线性菲涅尔透镜不断单轴追踪太阳而可以认为ω=0°。并且根据太阳全年运行规律可知，1 a 内太阳赤纬角从-23.45°到+23.45°不断变化，而1 d 内太阳赤纬角可以近似为恒定值。

基于以上对太阳光入射角的分析，设计了1 种基于透射式线性菲涅尔透镜的聚光光伏系统（图1）。该系统装置主要由线性菲涅尔透镜、太阳能电池板、支撑架、驱动机构、脚架等组成。其中线性菲涅尔透镜与太阳能电池板平行放置，且平行于地轴。采用单轴跟踪方式，太阳能电池板固定安装，线性菲涅尔透镜与支撑架连结，在驱动机构的作用下绕太阳能电池板中心轴线自东向西追踪太阳位置。选用精度较高的太阳能跟踪器，追踪角速度与地球自转角速度可视为相同。

图1 聚光光伏系统实验平台及其安装位置示意图

2.1 聚光光伏系统光学模型的建立

本文选用实验室内规格为800 mm×320 mm×2 mm，焦距为650 mm 的线性菲涅尔透镜和规格为800 mm×60 mm 的太阳能电池板，在Solidworks 三维软件中建立二者的几何模型。根据对太阳运行规律分析可知，太阳每天自东向西以每小时15°的角速度运行，在Solidworks 三维软件中建立线性菲涅尔透镜和太阳能电池板的几何关系模型，二者中心轴线的距离为650 mm，恰好等于线性菲涅尔透镜的焦距。通过改变二者中心轴间的相对距离改变系统的几何聚光比。将建好的几何模型导入TracePro 光学软件中进行光学建模。根据文献［8］可知，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是1 种轻质、透明的聚合物，具有与玻璃几乎相同的光学特性，且易通过塑料压模、切割等方法制成。本文选用实验室内材质为PMMA 的线性菲涅尔透镜，在TracePro 光学软件中将其材质相应设置为Plastic 中的PMMA 材料，环距设置为0.3 mm，将太阳能电池板表面的光线吸收率设置为92%。

在光线跟踪模拟中，定义格点光源作为仿真光源，根据太阳辐射的特点和标准地面直接光谱AM1.5D［9］，将光线波长平均值设置为546.1 nm。根据当地太阳平均辐照强度情况，设置格点光源辐照强度为1 000 W/m2，光线总数为128 000 根。根据全年太阳赤纬角的变化规律，在TracePro 光学软件中设置格点光源光束方向从0°到23.45°变化，间隔为3.35°。

2.2 聚光光伏系统的仿真模拟实验

通过TracePro 软件对该聚光光伏系统进行仿真模拟实验，研究不同太阳赤纬角、太阳时角和几何聚光比对该系统光学效率的影响，并与未增设聚光器的非聚光条件下光伏系统光学效率进行比较分析。定义光学效率η 和几何聚光比C，并根据式（2）和（3）进行计算并建立数学模型。

式中：η 为光学效率；
Q吸收为太阳能电池板表面吸收的总光通量；
H 为线性菲涅尔透镜宽度；
L 为线性菲涅尔透镜长度；
Id为太阳能直射辐照度；
C 为几何聚光比；
S1为线性菲涅尔透镜采光面积；
S2为太阳能电池板表面受光面积。

在TracePro 光学软件中采用蒙特卡洛光线追踪法进行光线追迹。在相同太阳时角条件下，太阳光线透过线性菲涅尔透镜聚焦到太阳能电池板上，聚光焦线的位置随着太阳赤纬角的不断变化而发生偏移，且偏移量随着太阳赤纬角的不断增大而增大，且聚光条件下太阳能电池板表面单位面积的光辐照度明显高于非聚光条件。图2～图6 表示聚光光伏系统在不同几何聚光比、太阳赤纬角和太阳时角条件下系统光学效率的变化情况。当几何聚光比一定时，在太阳赤纬角为0°～10.05°、太阳时角为0°～30°条件下，该系统光学效率基本不变。当几何聚光比和太阳赤纬角一定时，该系统光学效率随着太阳时角的增大呈现出先上升后下降的趋势，且该趋势随着太阳赤纬角的增大而逐渐显著；
当几何聚光比和太阳时角一定时，该系统光学效率随着太阳赤纬角的增大而不断下降，且该下降速率随着太阳时角的增大而呈现先缓慢后加剧的趋势。当几何聚光比C=1 时，在太阳时角一定的条件下非聚光光伏系统的光学效率随着太阳赤纬角的增大而不断下降，且下降趋势不明显；
在太阳赤纬角一定的条件下非聚光光伏系统光学效率随着太阳时角的增大而不断下降，且下降趋势随着太阳时角的增大而更加显著。

图2 聚光比C=1 时聚光光伏系统全年光学效率变化曲线

图3 聚光比C=13 时聚光光伏系统全年光学效率变化曲线

图4 聚光比C=15 时聚光光伏系统全年光学效率变化曲线

图5 聚光比C=17 时聚光光伏系统全年光学效率变化曲线

图6 ω=0 时不同δ 和C 条件下光伏系统光学效率变化曲线

如图6 所示，当光线垂直入射时，在不同几何聚光比条件下（除C=1 情况之外）该光伏系统的光学效率基本不变。当太阳时角ω=0°时，在太阳赤纬角一定的条件下，该光伏系统的光学效率随着几何聚光比的增大而呈现先上升后下降的趋势，且该变化趋势随着太阳赤纬角的增大而更加显著（除C=1 情况之外）。当几何聚光比C=1，光线垂直入射时，非聚光光伏系统的光学效率达91.06%；
当几何聚光比C=14、光线垂直入射时，聚光光伏系统的光学效率达到最大值79.11%。由二者对比和计算可知，聚光光伏系统的光学效率相对于非聚光条件下降低了15.11%，太阳能电池板的使用量相对减少了81.25%。

因此，通过在传统光伏发电系统基础上增加聚光系统的办法可以增大光伏系统的采光面积，提高太阳辐射能量密度，从而降低昂贵太阳能电池材料的使用量，提高聚光光伏系统的经济性和可行性。但也损失了一部分光能量，降低了光伏系统的光学效率。

本文提出了1 种基于透射式线性菲涅尔透镜的聚光光伏系统，通过Solidworks 三维软件和TracePro 光学软件对线性菲涅尔透镜和太阳能电池板和二者的相对位置关系进行建模和仿真模拟实验，研究和分析了对不同太阳赤纬角、太阳时角和几何聚光比对该聚光光伏系统和非聚光光伏系统光学效率的影响，通过对实验数据的分析得出以下结论，并提出对后期发展的建议：

（1）当几何聚光比和太阳赤纬角一定时，该聚光光伏系统的光学效率随着太阳时角的增大呈现先上升后下降的趋势，且该趋势随着太阳赤纬角的增大而逐渐显著；
几何聚光比和太阳时角一定时，该聚光光伏系统光学效率随着太阳赤纬的增大而不断下降，且下降趋势随着太阳时角的增大而呈现先缓慢后显著的特征。

（2）当太阳时角ω=0°时，在太阳赤纬角一定的条件下，该光伏系统的光学效率随着几何聚光比的增大而呈现先上升后下降的趋势，且该变化趋势随着太阳赤纬角的增大而更加显著（除C=1 情况之外）。聚光光伏系统的光学效率相对于非聚光条件下降低了15.11%，太阳能电池板的使用量相对减少了81.25%。

（3）通过在传统光伏发电系统基础上增加聚光系统的办法可以增大光伏系统的采光面积，提高太阳辐射能量密度，从而降低昂贵太阳能电池材料的使用量，提高聚光光伏系统的经济性和可行性。但也损失了一部分光能量，降低了光伏系统的光学效率。后期可以通过在太阳能电池板上增设二次聚光器的办法拦截逃逸光线，进一步提高该系统的光学效率。

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