聚光跟踪一体化光伏组件设计与性能分析

张 臻，吴 军，贾 朋，邵 玺，祝曾伟

(1.河海大学机电工程学院，江苏常州213022；2.常州天合光能有限公司光伏科学与技术国家重点实验室，江苏常州213031)

太阳能光伏发电是解决环境和能源问题的主要途径之一。由于光伏发电成本较高阻碍了大规模开发应用，世界各国一直在探索降低成本的途径。降低光伏发电成本的途径主要有：(1)从太阳电池本身入手，采用新工艺、新材料、新技术，提高太阳电池效率，降低单位功率太阳电池成本；(2)从光伏发电系统入手，引入聚光器，提高入射到太阳电池单位面积上的太阳辐射能量流密度，用最小的太阳电池面积获取尽可能多的电能。与聚光器材料相比，单位面积的太阳电池成本仍然非常高，采用聚光方式减少太阳电池的用量，对降低光伏发电的成本仍有较大的潜力。

聚光系统结构种类较多，根据聚光形式的不同可分为线聚光系统和点聚光系统。对于线性聚光来说，著名的有西班牙EUCLIDES系统，德国的Fraunhofer太阳能系统研究所(ISE)的BICON系统等。对于点聚光系统来说，美国的Amonix公司，西班牙的Isofoton公司等都有产品已经商业化。西班牙的EUCLIDES系统所使用的聚光电池为垂直多结电池。德国的BICON聚光系统采用抛物面镜将阳光汇聚到接受器上，通过加装二次聚光器(CPC)可以实现300倍的高聚光比。聚光系统具备降低光伏发电系统成本的潜力，一直以来受到研究人员的关注。对于高倍(几十到数百倍)聚光系统，多采用多结高效电池。对于一般的常规晶体硅太阳电池只能在几倍的光强下取得较好的收益，若想太阳电池工作在更高的光强下，必须采取措施降低太阳电池的串联电阻，串联电阻越小，聚光系统的性能越好，但这样势必会增加太阳电池的成本，因此并不是光强越高越好。对于晶体硅太阳电池，低倍聚光是降低系统成本的解决方案之一。低倍(2～10倍)线性聚光系统在实际使用过程中，具有对太阳跟踪精度、电池散热效果等要求相对较低，系统可靠性较高的优点，具有较好的市场前景[1-4]。

对于聚光系统，怎样跟踪太阳，使其在任何季节任何时刻都可以最大量捕捉到辐照达到聚光效果是设计的关键。典型聚光系统需要另外配备单轴或双轴跟踪装置，此外，也有部分专利介绍了新型聚光系统设计与概念，可以采用免传动部件的太阳跟踪方式。2008年，美国John George Pender在其专利“无运动太阳跟踪聚光器”中提出的免传动部件的跟踪聚光光伏系统[5-6]采用特殊材料制作透镜，通过改变施加在透镜两端的电压可以改变透镜的折射率，根据光线入射角调节透镜折射率，使斜射光线经过该透镜的折射后始终可以与透镜方向垂直。将该透镜与菲涅尔透镜或聚光反射镜结合可以达到无传动部件跟踪太阳的聚光效果。这种聚光系统无需传动部件，系统可靠性相对较高，但由于可变折射率透镜的材料成本较高且结构相对复杂，其经济性优势不明显。本文介绍了由自行设计的低倍线性聚光用折射式聚光器，并对其原理及聚光太阳电池组件的设计进行了分析。

1 聚光光伏组件设计

光伏聚光器是利用透镜或反射镜将太阳光汇聚到太阳电池上。按光学类型划分，常用的聚光系统通常分为折射聚光系统和反射聚光系统。折射式太阳光伏聚光应用中，菲涅尔透镜被当作理想之选，它的聚焦方式可以是点聚焦，也可以是线聚焦，适合中高倍聚光(几十倍到几百倍)[7]。但是传统菲涅尔透镜存在难以实现高接收角，聚光后光强分布不均匀和易老化变形等问题。针对这一情况，低倍线性太阳电池组件设计首次采用转移光线的透镜，避免局部高温问题。如图1所示，在该光伏组件中，太阳电池之间设计有较大的间距，透镜将本应照射到组件空白处的光线转移到太阳电池部分，从而达到聚光效果。由于透镜仅仅将光线转移，不存在点或线聚光，通过透镜的光线均匀分布在太阳电池组件表面，在入射角偏移时，不会存在局部过热现象。聚光组件可以做到较薄，采用78 mm×78 mm(1/4片156 mm×156 mm电池)电池片，组件厚度在50 mm左右。该聚光一体化太阳电池组件聚光比一般为1～5，透镜采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或低铁玻璃。由于该聚光组件中电池间距较大且透镜之间有良好的通风通道，适合于自然冷却。组件可以通过平移与旋转透镜达到跟踪太阳的效果。

图1 聚光跟踪一体化组件结构示意图

目前聚光系统普遍存在两个问题：首先，跟踪构件未与太阳电池组件及聚光器集成在一起，现场安装与调试复杂，且需要旋转聚光太阳电池组件以跟踪太阳，不适合与一般民用建筑斜面屋顶结合；其次，对于点聚焦或线聚焦系统，在太阳跟踪失效时，易出现局部温度过高而损坏太阳电池组件情况[8-10]。针对这两点，本设计将转移光线的棱镜组合应用于低倍线性聚光太阳电池组件，结构示意如图1所示。该组件可以通过沿设定轨迹移动棱镜组达到聚光与跟踪太阳效果，由于单个棱镜组相对面积较小，易做到高抗风性能。同时由于棱镜组仅仅将太阳辐照转移，不存在聚光焦点(或线)，通过棱镜组的辐照均匀分布在太阳电池组件表面，即使在辐照入射角偏移且太阳跟踪系统失效情况下，仍不会形成强光点或强光线造成严重局部过热损坏太阳电池组件。聚光器(棱镜组)、跟踪系统与太阳电池组件一体化可以大大减少现场装配人力成本，并且由于不需要旋转整个太阳电池组件，与其他聚光系统相比，这种新型多棱镜聚光跟踪一体化太阳电池组件(以下简称聚光跟踪一体化组件)适合于民用建筑屋顶应用，可以做到光伏建筑一体化(BIPV)。

二倍折射式聚光器光强分布与光线轨迹如图2～图3所示，PMMA的折射率为1.49，光线从PMMA入射到空气中时，产生全反射的临界角为：arcsin(1/1.49)＝42.2°。当入射角大于42.2°时，可以利用全反射达到光线转移的效果。采用Fred软件模拟光线输入发现，透镜为正三角形时可以达到较好的效果。如图3所示，当光线垂直入射透镜上表面时，经过透镜折射后的光线有1/2到达电池表面，由图3可知：

图2 聚光一体化组件光强分布示意图

图3 二倍折射式聚光器光线轨迹示意图

因此透镜的宽度等于单个电池的宽度。如图2所示，这时光线1与光线2各有1/2的光线经过透镜1与透镜2达到电池1的表面，加上不经过透镜直接达到电池1上的光线 (辐照)，从而形成2倍聚光的效果。不考虑透镜厚度，透镜距离组件的高度h可表示为：

可以通过减小电池片宽度a(如将单片电池片切割成多片)，来减小透镜距离组件的高度h。如果使用156 mm×156 mm电池片，h约为

与传统系统相比，本文提出的聚光跟踪一体化组件可以将跟踪构件与聚光器集成在太阳电池组件上。该组件在东西方向通过设计聚光棱镜组长度大于太阳电池串长度来补偿每天早晚时刻的太阳辐照偏移。棱镜长度L比太阳电池串长度两端每端长0.5～3倍太阳电池串宽度距离，如对于由单排156 mm×156 mm电池组成的电池串，透镜为东西方向放置，使每日早9：00到下午3：00不会出现因光线偏移造成太阳电池表面辐照分布不均匀现象，棱镜长度L比太阳电池串长度长78～468 mm。太阳在一年内在南北回归线往返，设置春分、秋分时太阳垂直入射于太阳电池组件表面，如图4所示，南北方向一年中太阳光线最大偏移角度为23.5°。在南北方向上，设置聚光棱镜组与太阳电池组件倾角(该倾角设计为安装地点纬度±6°)使春分、秋分时太阳垂直入射于太阳电池组件表面，太阳在南北回归线往返，入射太阳辐照偏移在±23.5°范围内。通过沿设计轨迹移动棱镜组可以跟踪太阳辐照，使系统始终保持很好的聚光效果。

图4 太阳辐射示意图

2 性能模拟分析

基于上述多棱镜折射式聚光跟踪一体化光伏组件设计，选择聚光器(透镜)材料PMMA的折射率为1.49，采用光学软件Fred模拟太阳辐照(平行光线)在不同入射角下经聚光器后的分布情况。为清晰显示光线经过透镜折射与反射后的轨迹，聚光器取3个正三角形组成，模拟结果如图5所示。聚光器取7个正三角形组成时，光线斜角入射情况下，模拟光学效果如图6所示；设置多排聚光器，太阳辐照斜角入射光学模拟效果如图7所示。由图6～图7可知，若该聚光器设计能适应一定的光学偏移垂直方向，有利于太阳辐照中散射光的利用。通过光学软件进行的不同透镜材质、跟踪方式等模拟，结果表明，如果透镜材料选择为折射率1.5的玻璃，仍可以达到同样的聚光效果。

图5 Fred软件模拟二倍折射式聚光器光线分布

图6 太阳辐照斜角入射光学模拟效果

图7 太阳辐照斜角入射光学模拟效果(多聚光器)

太阳高度角随季节变化，光线偏移聚光器垂直方向较大时，直接照射与通过透镜(不再是全反射)照射在组件表面的辐射光线重合部分很少，组件表面少有光强大于1.2倍入射光强分布带(强光带宽度与太阳电池宽度须相近)，因此即使通过平移透镜也难达到1.2倍以上聚光效果，聚光器需要跟踪太阳轨迹。采用多个透镜共用同一轴，整体移动跟踪太阳，Fred光学模拟效果如图8所示，该方案聚光效果会受到影响，直接照射与通过透镜照射在组件表面的辐射光线重合部分相对较少，只能满足1.4倍左右跟踪效果。采用单排旋转透镜跟踪太阳轨迹，Fred光学模拟效果如图9所示，直接照射与通过透镜照射在组件表面的辐射光线重合较好，此时再平移透镜可以使光线汇聚在组件的太阳电池部分，达到聚光效果，根据Fred光强分布计算，通过旋转并平移透镜可以达到跟踪效果，入射光线在±23.5°范围内偏移时，始终保持1.7倍以上的聚光比。

图8 Fred软件模拟透镜整体旋转跟踪太阳

图9 Fred软件模拟透镜独立旋转跟踪太阳

3 结论

光线转移透镜式低倍聚光跟踪一体化太阳电池组件设计有效避免了传统反射式与折射式聚光组件中，电池表面辐照分布不均匀或光聚焦引起的局部高温问题。Fred光学软件模拟结果表明，采用PMMA、玻璃等不同透镜材质，入射光有小角度偏移垂直聚光器方向时，该聚光组件均能达到较好的光学效果；南北向安装，入射光线在±23.5°范围内偏移时，该设计的聚光组件通过旋转与移动透镜可以跟踪太阳，2倍几何聚光比组件实际光学聚光比仍能保持1.7倍以上。该聚光器由于单个透镜相对面积较小，易做到高抗风性，聚光器、跟踪系统与太阳电池组件一体化后，可以大大减少现场安装工作量，且由于太阳电池组件本身不旋转，非常方便与民用住宅BIPV结构结合。

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