[科普中国]-太阳能聚光系统

简介

太阳能光伏发电系统是使阳光照射在电池片表面从而实现发电的目的,所以光伏电池是整个系统的核心2。目前,己经开发出了第一代的晶体娃电池,第二代的薄膜电池以及第三代的聚光光伏发电(CPV)。其中,聚光型的光伏电池可分为单晶娃光伏电池、多晶括光伏电池和III-V族多结光伏电池。多结光伏电池的光电转换效率非常高,达到了40%以上,但是其材料为剧毒物质,与新型清洁能源的本意相惇。所在现阶段太阳能光伏发电应用的光伏电池主要还是以晶体挂材料的电池做主流。在实验室中单晶娃电池的最高转换效率可达24.7%厢业化电池效率为16%-20%。多晶娃材料的光伏电池片在实验室中的光电转换效率也高于20%,产业化的太阳电池片效率也达到15%-18%。

聚光系统分类及特点光伏聚光器有很多分类方法:按光学原理分,有折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器等;按聚光形状分,有点聚焦聚光器和线聚焦聚光器,前者使阳光经聚光器后在太阳电池表面形成一个焦点(或焦斑),后者是在太阳电池表面形成一条焦线(或焦带);按聚光比分(分为几何聚光比和光学聚光比,几何聚光比指聚光器与电池面积的比值,光学聚光比是几何聚光比与聚光器光学效率的乘积,如无特别说明,聚光比特指几何聚光比),有低倍聚光器(1-100)、中倍聚光器（100-300)和高倍聚光器(300以上按跟踪方式可分为跟踪式与免跟踪式3。
高倍聚光因为其使用的多结光伏电池价格昂贵,但是具有非常高的光电转换效率,因此通常配备高精度的太阳能追日系统,用跟踪太阳方位角的变换,以实现高效率的光电转换。如果不使用追日系统,在太阳能发电系统运行时,太阳光入射至聚光系统表面的入射角仅有轻微的误差,也会使发电系统的发电量大幅减少,甚至损坏电池片。对低倍率光伏发电系统来说,因为使用的半导体材料特性非常的脆弱,所以只能使用低倍率聚光系统。但是对于低倍率聚光系统来说,也需使用追日系统,这对于发电系统的建设来说,无疑增加了更多的成本,而且发电站通常建设在平原沙漠地区,建设面积广阔,且环境通常较为恶劣,使用跟踪系统一般会存在设备维护困难,故障率高等问题,无法保证光伏发电系统的正常工作,因此国内外很多科研人员提出了免跟踪式太阳能聚光系统。

跟踪式光伏聚光系统地球的运行分为公转和自转。要提高太阳能的利用率,就应掌握太阳的运行规律,使太阳能电池板对太阳进行实时跟踪。太阳赤绅角则是连接太阳中心、和地球中也的线与赤道平面的夹角,用a表示。太阳赤纬度实际上代表的是太阳直射点的纬度。春分后,太阳移向北回归线直至夏至日,赤纬度α由变化到+23.45°;夏至日后向赤道移动,直至冬至日到达南回归线,赤绅角由+23.45°到-23.45°;冬至日后重新向赤道移动。故太阳赤绅角随时间的变化而逐渐变化,且赤纬角的大小与所在地无关,只与时间有关4。

跟踪式聚光器又称为"向日葵"式,由于聚光设计时采用固定的太阳入射角作为标砖,所以采用追日系统,能够使太阳能接收器时时跟踪太阳的方位角变化。从上世纪的弹黄储能跟踪装置到现在的计算机和天文时间器精确控制,控制精度随着科技的进步不断提高。通过追日系统的控制,不断调整16块聚光镜的位置,通过反射方式是太阳能汇聚在电池片表面。

免跟踪式光伏聚光系统
免跟踪式聚光系统,是通过对聚光系统的设计,改变入射至聚光系统的光路发生改变,从而实现太阳光从各个入射角都能入射至电池片表面的目的。面跟踪聚光器从聚光方式上可分为折射式和反射式两大类。为了使太阳光更好地聚集在接收器上,折射式聚光器一般采用凸透镜或菲涅耳透镜来进行聚光。要求免跟踪聚光器要在一定范围内能够承受太阳方位角变换,以折射各个角度的太阳光,使各个入射光线可以成功入射在太阳能接收器表面3。

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陕西科技大学的宁锋,刘飞航以设计的免跟踪透射式太阳聚光器,将菲涅耳透镜以阵列守式沿太阳光入射方向排布,也就是说每一个太阳光入射方向都有一块聚光镜,从而实现免跟踪的目的。因此,每一个方向入射的太阳光,都通过特定的聚光镜折射至电池片表面,但是在有限的空间密集排列聚光镜,使毎一块聚光镜的制作的很小,这直接降低了聚光系统在每一个太阳光入射方向的聚光倍率。

反射式聚光器则是通过拼接一些反射模块,使入射的太阳光经过一次或多次的连续反射,福照在太阳能电池片。上世纪70年代初出现了一种受关注的反射式聚光器,该聚光器为复合抛物面聚光镜 (CompoundParabolicConcentrator),通过两个槽型的抛物面反射镜。聚光,虽然不需要跟踪装畳,但其聚光能力较差。但是该装置引起的广泛关注引起了人们对免跟踪聚光系统的兴趣,此后陆续有人建立了不同的免跟踪反射型聚光模型。日本夏普株式
会社设计的低聚光免跟踪反射型聚光器,,其聚光器结构是扁平型,采用平面镜与曲面镜的组合形式,在入射角小于等于90°时,通过在聚光系统上表面涂覆一层反射涂层,形成半透半反的原件,太阳入射光经过一次或多次反射至珪材料电池片接收器上。当入射角大于90°时,通过一次旋转聚光系统,即现同样的功能,因此该设计在一定程度上可以接受阳光方位角的偏移,聚光效率2.875倍。

抛物槽式聚光系统
抛物槽式聚光系统由抛物柱面聚光镜和真空吸热管组成。抛物柱面聚光镜利用抛物面对平行光的理想会聚特性将太阳直射光会聚于焦线处的吸热管上。聚光镜呈水平放置，可绕单轴旋转跟踪太阳。旋转轴沿南北方向，并与吸热管平行。在聚光镜跟踪太阳的过程中，太阳直射光方向始终平行于旋转轴与吸热管所在的平面，保证系统具有最好的聚光特性4。

抛物槽式聚光系统的光学结构简单，需要设计的几何参数包括聚光镜口径、焦距、边缘角等，在设计中需要考虑的性能参数包括聚光比、光斑溢出损失等。槽式聚光镜经过了几代的发展，其口径、焦距、边缘角等参数不断加

利用光学设计软件如 Zemax等可对抛物槽式聚光系统进行建模，并借助Matlab对聚光系统进行蒙特卡罗光线追迹，分析聚光系统的光学性能，最终确定聚光结构。抛物槽式聚光系统的关键工艺在于真空集热管和抛物柱面反光镜的加工。真空集热管由玻璃外管、不锈钢内管及表面选择性吸收涂层、内外管间高度真空环形空间、内管内插固体阻塞件以及绝热端等部分组成，其关键技术包括能耐 以上高温、高效率吸热涂层材料且在高温下不脱落、长寿命真空度、玻璃/金属间的有效衔接等。抛物柱面反光镜的制作工艺较真空集热管简单，关键技术在于镜面面形的高精度。目前多采用4mm厚的热弯玻璃并在背面镀银反射膜及多层保护膜，也可采用在基底材料上粘贴薄玻璃反射镜或高反射耐候性薄膜。

碟式聚光系统
碟式聚光发电系统可分为单碟式和多碟式两种。单碟式聚光系统由单个旋转抛物面反光镜和斯特林发动机组成。多碟式聚光系统由多个尺寸较小的碟形反光镜和斯特林发动机组成3。

碟式聚光镜利用旋转抛物面对平行光的理想会聚特性将太阳光会聚于焦点处的斯特林发电机上。聚光镜可绕双轴旋转实现对太阳的三维跟踪，始终使阳光的入射方向与聚光镜的光轴方向一致，保证聚光镜有最好的聚光性能。多碟式聚光镜与单碟式的聚光原理一致，聚光性能相近，多碟式聚光镜用多个尺寸较小的碟形反光镜代替单个大尺寸抛物面镜，降低了聚光镜的加工难度。

碟式聚光系统的光学结构简单，设计方法与槽式聚光系统相似。碟式聚光系统的关键技术在于斯特林发动机和旋转抛物面反光镜的加工。斯特林发动机是一种外燃( 或外部加热) 封闭循环活塞式发动机，其对燃烧方式或外燃系统的特性无特殊要求，只要外燃温度高于闭式循环中的工质温度即可。近年来，美国、日本、德国等对斯特林发动机进行了研究，并已具备生产能力，如西班牙的Eurodish。 碟式聚光发电系统采用了德国SOLO 公司生产的斯特林发动机。抛物面反光镜的制作关键在于面形精度的控制。制作方法主要有两种，一种是采用小尺寸的曲面镜进行拼接，另一种是在基底材料上粘贴薄的镀银玻璃反射镜或高反射耐候性薄膜。碟式聚光系统的聚光比较高，可超过1000x，工作温度达700℃，采用斯特林发动机，最高光电转化效率可达24%。碟式聚光发电系统单台最大装机容量约为 25KW:，可单独供电，也可多台并网发电，无需用水，适合在沙漠地区使用。由于聚光镜、驱动装置以及斯特林发动机等关键元件的制造成本较高，导致碟式聚光系统的投资成本较高，为了实现商业化，还需进一步降低碟式聚光发电的成本。

塔式聚光系统塔式聚光系统可分为单塔式和多塔式聚光阵列，单塔式聚光系统由镜场、单塔和塔顶吸热器组成，如图 以 所示5。

镜场将低密度的太阳辐射会聚于塔顶吸热器，再由吸热器将高密度能流转化为热能并通过传热工质传输到地面进行发电。镜场由定日镜布置而成，定日镜绕双轴旋转实现对太阳的三维跟踪，并将阳光反射到塔顶吸热器上。定日镜的聚光性能决定了镜场光斑的质量。定日镜的面形有平面和曲面两种，平面定日镜加工装调简单，成本低，由于对光线无会聚作用，定日镜尺寸一般较小，以保证较小的镜场光斑。曲面定日镜加工装调较困难，成本高，但聚光性能较好，定日镜可以做得很大。

单塔式聚光系统的规模受到塔高以及定日镜跟踪精度的限制，电站的规模不能无限大。为了实现更大规模的塔式太阳能发电，提出了多塔式太阳聚光阵列结构，如图 ] 所示。多塔式镜场聚光阵列由定日镜场和多个装有吸热器的塔组成，各塔之间距离较近以至于不同塔的定日镜场部分重叠，传热工质通过吸热器加热到高温以后汇聚起，实现规模化发电。随着太阳的运动，定日镜场一些区域的光学效率不断变化，为了获得最大的镜场光学效率，可有选择地控制定日镜场的一些区域将太阳辐射投射到不同塔上的吸热器上，有效减少了入射余弦损失和定日镜间的阴影挡光损失，并提高了土地使用率。塔式聚光系统的光学结构比较复杂，在设计中需要考虑定日镜和镜场两部分。定日镜在聚光过程中阳光的入射角变化范围较大，球面或其它旋转曲面存在较大的像散，致使定日镜的光斑较大，不利于吸热器的接收。采用可校正像散的轮胎面聚光镜可减小光斑的变化，提高聚光性能，但缺点是加工装调比较困难，制作工艺还需验证。镜场设计是通过优化镜场的结构参数，设计出成本低、年聚光效率高的镜场布置，设计过程比较复杂，需要编制专用的设计软件。镜场的结构参数包括地理纬度、定日镜尺寸及数量、定日镜的布置方式及间距、吸热器位置及倾斜角度等，需要在设计中考虑的性能参数包括镜场的余弦效率、相邻定日镜间的阴影挡光损失、大气对会聚光束的吸收散射损失、光斑在吸热器上的溢出损失等。

线性菲涅耳聚光系统线性菲涅耳聚光系统由主、次聚光镜和吸热管组成，它是由抛物槽式聚光系统演化而来的3。

菲涅耳聚光系统的主聚光镜由一系列可绕水平轴旋转的条形平面反射镜组成，可跟踪太阳并将阳光会聚于镜场上方的吸热管上。为了提高聚光比，在吸热管的上方需增加次聚光镜，进行二次聚光，次聚光镜的面形为二维复合抛物面(CPC)，CPC 是一种理想的非成像聚光器，聚光性能可达到最优。

菲涅耳聚光的另一种改进形式是密集型线性菲涅耳聚光，它具有两个或多个吸热管，在工作过程中，相邻的条形反射镜可瞄准不同的吸热管进行聚光，这样可以减少反射镜间的阴影挡光损失及镜场占地面积。菲涅耳式聚光系统采用二次聚光方式，光学结构比较复杂，需要设计的参数包括条形反射镜的尺寸及间距、主聚光镜场的口径及边缘角、吸热管的高度、次聚光镜的口径及接收角等，需要在设计中考虑的性能参数包括阴影挡光损失、聚光比、光斑溢出损失以及主、次聚光镜的匹配等。菲涅耳聚光系统主聚光镜为一系列离散的条形反射镜，且不同时刻反射镜的法线方向不同，次聚光镜为 CPC非成像聚光镜，利用传统光学设计软件很难对菲涅耳聚光系统进行实时模拟和分析，可使用 Matlab进行编程，并采用蒙特卡罗光线追迹法对聚光系统进行建模和分析，最终确定聚光系统的光学参数。
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地面接收聚光系统地面接收聚光系统由聚光镜场、塔顶反射镜和地面接收器组成，它是由塔式聚光系统演化而来的3。

地面接收聚光系统的镜场与塔式聚光系统相同，由一系列双轴跟踪的定日镜布置而成。塔顶反射镜采用双曲面设计，与镜场构成卡赛格林系统，将镜场会聚而来的光线反射会聚到地面接收器。由于地面接收聚光系统的焦距较长，受太阳发散角、镜面面形误差及定日镜跟踪误差的影响较大，地面接收光斑的尺寸较塔式聚光系统大，聚光比较低。为了提高聚光比，需要增加三维复合抛物面聚光器( CPC) 进行 X 次聚光。地面接收聚光系统光学结构更为复杂，需要设计的参数包括定日镜的几何参数、镜场的布置结构、塔顶反射镜的面形、尺寸及焦距、三维CPC 聚光器的口径、接收角及高度等参数，需要在设计中考虑的性能参数包括镜场的聚光效率、地面接收聚光系统的溢出损失、光斑的聚光比以及镜场与塔顶反射镜的匹配等。目前，地面接收聚光系统采用的设计方法是: 首先利用镜场设计软件设计镜场结构，然后根据镜场的聚光特性设计塔顶反射镜，，最后使用 Matlab工具对地面接收聚光系统进行建模，并采用蒙特卡罗光线追迹法对聚光系统进行分析，最终确定聚光系统的光学参数。地面接收聚光系统的加工工艺关键在于塔顶射镜和三维CPC聚光镜的制作，目前的加工方法是采用小尺寸的平面反射镜进行拼接，这样做的缺点是面形精度较低且缝隙损失较大。地面接收聚光系统采用多次反射聚光，增加了反射损失，降低了聚光比，但吸热器放置在地面上，减少了热损耗，降低了建塔成本，因此具有一定的优势。近年来，以色列、日本等国对地面接收聚光技术进行了理论及实验研究，其商业化可行性还有待进一步验证。