国内太阳能聚光PV_T系统聚光器的研究进展_王哲

e.
f.
分频器
集热管 再反射镜 聚光器 联集管
玻璃盖板
光伏模块 异形热管
底框 CPC 聚光器
h.
i.
菲涅耳透镜
j.
k.
图 5 PV/T 系统聚光器的结构
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光伏电池
框架
l.
技术产品与工程
中国科学技术大学的徐永峰等 [29，30] 通过建 立 10 m2 槽式抛物反射聚光的 PV/T 系统，进行 性能分析和对比实验，采用聚光特性较好的光伏 电池阵列后，光电转化效率可达 23.21%，系统电 效率可达约 10%，系统热效率也增至约 35%。
入射通量密度之比 [6]。几何聚光比 C 反映出聚光 器使能量集中的可能程度，是聚光器的重要特征
参数之一。其定义为：
C=
Aa Ar
(1)
式中，Aa 为聚光器的光孔面积，m2；Ar 为
接收器表面面积，m2。
几何聚光比在热平衡计算与经济分析中更有
用，所以在太阳能聚光热发电系统中，聚光比通
常指几何聚光比。
集美大学的李超等 [20，21] 依据镜面反射原理， 根据强度、刚度、跟踪误差的要求对光伏光热一 体机的聚光单元进行了优化设计 ( 见图 5f)，其 理论聚光比为 8。许志龙等 [22] 对其进行实验研 究发现，该系统光电火用效率大于 13%；同时，该 PV/T 板还可收集太阳光热，再通过集热板的二 次加热，使热水温度始终高于 74 ℃。
中国科学技术大学的王云峰等 [25，26] 研制了 由矩形二次曲面镜组成的太阳能九碟共焦型聚光 器 ( 见图 5i)，镜面采用低铁超白玻璃为基材，经 热弯成型后物理风冷钢化，在玻璃凸面用真空磁 控溅射镀银，总聚光倍数达到 500 倍。为了解决 聚光不均匀导致的效率下降问题，研发了一种多 平面反射镜太阳能聚光装置 ( 见图 5j)，该聚光装 置用小块的平板镀银镜面组合取代大块曲面反射 镜，多镜共焦，聚光比调节灵活。通过对碟式高 倍聚光 PV/T 系统的实验研究，系统平均热效率 为 35.9%，最高瞬时效率为 47.8%；系统电池瞬 时发电最大效率为 16.99%，平均效率 15.67%。
的光照强度，W/m2；Tf,o、Tf,i 为流体的出口、进
口温度，K；m 为流体的质量流量，kg/s；cp 为
流体定压比热容，J/kg·K。
电效率是指单位面积 PV/T 接收器的输出电
能与太阳的光照强度之比 [12]，定义为：
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η e=
ImVm AcG
上海大学的谢飞 [31] 使用 TracePro 软件对不 同的聚光方式进行分析，发现菲涅耳反射聚光系 统光强分布较为均匀，是 PV/T 系统较为合适的 聚光方式。利用 Trnsys 软件对 10 倍聚光的菲涅 耳反射聚光系统进行全年的运行仿真，系统电效 率为 10.3%，热效率为 33.1%。
华北电力大学陈海平等 [32] 设计出独立双层 流道式和回路双层流道式结构的水冷式复合抛物 面聚光器——CPC-PV/T 装置。当水流量在一定 范围内时，进水流量的降低及辐射强度的增强均 可提高系统的热效率；而系统的电效率随进水流 量的增加呈波形递增趋势，其平均电效率、热效
中国科技大学的张谦等 [18，19] 设计了一种类 似菲涅耳反射聚光器结构的平板型玻璃镜面反射 太阳能聚光器 ( 见图 5d)。当集热温度在 120 ℃ 以下时，该聚光系统的总体集热效率约可达 0.74， 集热效率会随着温度的上升而减小。单晶硅电池
在该聚光器聚光条件下，焦平面上的辐照强度为 3347 W/m2，电效率可达 15.9%。同时还提出一 种新型分段式槽式太阳能聚光器，如图 5e 所示， 可保持对空间面积较高的利用率。
d r
中 国 科 学 技 术 大 学 的 陈 海 飞 [28] 设 计 了 菲 涅 耳 透 镜 聚 光 器 ( 见 图 5l)， 采 用 的 材 料 是 PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯 )。实验研究表明， 菲涅耳 HCPV/T 系统发电效率可达 25% 以上， 热效率可达 49% 以上。
1076
L α
南京理工大学的邬二龙 [27] 采用离散变量网 格法对平面接收器的旋转抛物面聚光器进行优化 ( 见图 5k)，得到聚光器的最佳优化设计尺寸：聚
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光器的开口半径为 1 m，聚光器的聚光比为 3000， 增加聚光器的开口半径和聚光比可有效提高系统的 热电综合利用效率。数值模拟得出，在优化设计工 况下，系统的热电综合利用效率可达 59.60%，对应 的发电效率为 5.22%，热效率为 45.86%。
率分别约为 13.4%、42%。 孙健等 [33] 对不同工作环境下聚光系统热电性
能进行研究发现，聚光 PV/T 系统的各效率随光照 强度增加而增大，系统的最大电效率为 11%，最 大热效率为 70%。
东南大学徐寅等 [34] 提出采用定容冷却的低 倍聚光 PV/T 系统，于南京选择一日晴朗天气， 在进水温度 20 ℃、出水温度 40 ℃的条件下进 行室外实验。结果表明：该系统的热效率可达 39.4%，电效率可达 14.1%。采用有限容积法对 该系统进行建模，以实验当天的环境数据为基础 对系统热性能和电性能进行模拟，模拟结果与实 验吻合良好。
重 庆 大 学 的 王 科 [15，16] 根 据 CPC 截 取 原 理 截取 8 组镀银镜面，设计并制造平面镜单元类 CPC 聚光器，如图 5b 所示。通过实验测得在太 阳辐射强度为 854 W/m2 时，PV/T 系统的输出电 功率为 14 W，光电转换效率为 8.8%，热效率为 56.2%，系统的最大综合效率达到 79.3%。
聚光装置在光伏系统中的研究可追溯到 20
世纪 70 年代中期，在近几年得到了充分发展， 并较多地运用到 CPV/T 系统中，国内很多学者 对此也进行了大量的研究工作。
1 聚光器的分类及性能指标 1.1 聚光器分类
聚光器是聚光光伏光热一体化系统的重要部 件之一，目前国内研究应用于 PV/T 系统的聚光 器依据光学原理主要是反射聚光器、折射聚光器 两大类。 1.1.1 反射聚光器
菲涅尔透镜 平面反射镜
H
66 75 88 102 121 144 173 206
888
y f ym
50
43;1
2ai
a 2ai
I O D
xi A
P ai B KC
d.
光伏电池
g.
383
310
b.
接收平面 c.
Y F
4 3
2 a
32
1
1A
2 B
3
b
X
1
1. 镜架悬臂梁 2. 平面镜 3. 聚光光伏组件 4. 集热板
反射聚光器是根据光的镜面反射原理将入射 太阳光聚焦到 PV/T 组件上。主要以镀银玻璃镜 面和镀铝面作为反射材料，近年来也出现了高分 子材料制作的高反射率薄膜反射面 [4]。
反射聚光有点聚焦和线聚焦两种。反射点聚 焦多采用球面聚光和碟式聚光，反射线聚焦多采 用抛物面聚光器 ( 见图 1)、平面聚光器、复合抛 物面 (CPC) 聚光器 ( 见图 2)、菲涅耳反射聚光器等。
图 3 普通凸透镜
图 4 菲涅耳透镜
折射聚光也有点聚焦型和线聚焦型两种，可
以根据不同的应用场合选取不同的聚焦方式。
1.2 性能指标
1.2.1 聚光器性能指标 1) 聚光比。聚光比可分为辐射通量聚光比和
几何聚光比 [5]。几何聚光比定义为聚光器开口 ( 窗 口或光孔 ) 面积与接收器上焦斑面积之比，辐射 通量聚光比指焦斑上的平均辐射通量密度与太阳
清华大学的许自霖 [17] 使用蒙特卡罗光线追 迹模拟方法对线性菲涅耳折射聚光器的结构尺寸 进行优化设计，如图 5c 所示。模拟分析得出实际 聚光比 3～6 倍能保证晶硅电池在最佳输出功率附 近工作，同时利用二次反射镜对透过菲涅耳透镜的 光线进行调整，能在电池受光平面获得较好的聚光 效果。实验得出在日照强度约为标准光照强度 (1000 W/m2) 一半的情况下，最大电效率可达 14.55%。
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Z
X
图 1 抛物面聚光器
图 2 CPC 聚光器
1.1.2 折射聚光器 折射聚光器分为普通透镜 ( 见图 3) 和菲涅
耳透镜 ( 见图 4) 两种。其中菲涅耳透镜是平面化 的聚光镜，其原理如图 4 所示。凸透镜由于制造 成本较高，不适用于太阳能聚光的使用。用菲涅 耳透镜作聚光器比采用一般透镜可以有更大的口 径，可大幅减少材料的使用，且具有轻便的优点， 目前多采用 PVC 和 PMMA( 聚甲基丙烯酸甲酯 ) 制造。
关键词： 太阳能；聚光光伏光热一体化系统；聚光器
0 引言 1954 年，美国贝尔实验室首次制成了单晶
硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的光 伏发电技术。20 世纪 70 年代后，全球能源危机 和大气污染问题日益突出，太阳能以其独有的优 势受到广泛的关注。但由于太阳电池材料价格昂 贵，制造工艺繁琐，阻碍了其大规模商业化应用。 1976 年，美国 Sandia 国家实验室最早设计研发 了聚光光伏 (CPV) 系统，提高了光伏电池的辐 照度，从而使其最大功率点增大 [1，2]。也正是由 于聚光的作用，使得光伏电池温度过高，光伏转 换效率下降，缩短光伏电池寿命。聚光光伏光热 (CPV/T) 系统的出现为降低光伏电池的温度提供 了可能，在光伏电池背面敷设换热管网，通过流 体 ( 如水或空气 ) 流动带走电池板所吸收的光能， 不仅可以使光伏电池的温度降低，提高其光电转 换效率，而且对流体带走的热量加以有效利用， 从而提高太阳能的综合利用效率 [3]。
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国内太阳能聚光 PV/T 系统聚光器的研究进展
大连理工大学土木工程学院 ■ 王哲 端木琳 * 李祥立 舒海文