一种基于复合抛物面聚光器的太阳能幕墙模块结构

庄哲明 许云深

摘  要：项目组设计了一套选择性聚光光伏系统及其智能控制APP，能够广泛应用于现代城市建筑的外表面，提供一种综合采光、隔热与太阳能利用的解决方案。相比于传统光伏幕墙具有光伏板使用面积减少64%;能够通过自主调节工作模式，保证光伏板工作温度不超过50℃，以避免墙体过热的优势。

关键词：模块化;聚光光伏系统;复合抛物面聚光器;太阳能建筑一体化

中图分类号：TM919 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）05-0011-02

1 研制背景及意义

近年来，随着人们生活水平提高，各种家电如空调、冰箱等进入越来越多的家庭，高科技成果给人们提供了舒适生活的同时，也导致了建筑能耗的急剧增长，因此如何有效的降低建筑能耗是目前行业关注的焦点之一，而太阳能以其清洁和可持续的特性一直为人们所关注，所以发展出了太阳能与建筑一体化技术。

项目组以太阳能建筑一体化为切入点，根据现有的复合抛物面理论进行产品设计，结合模块化理念研究得出了两种极具特色的聚光光伏模块以及一系列基础构架模块，能够综合满足建筑对采光、隔热与太阳能利用的多方面需求，具有广阔的应用前景和多样的功能作用。

2 设计方案

2.1 复合抛物面聚光器

传统复合抛物面聚光器由两个对称的抛物镜面构成，能反射并聚集辐照至接收体。各抛物面的中心轴与的对称轴形成的夹角为最大接收半角（θmax），如图1所示。根据反射原理，当光线入射高度角θ小于θmax时，光线经过一次反射全部入射到两焦点之间（聚光面）的位置（如图1中B、C光路）;当入射高度角θ 大于θmax时，光线经过反射后必定无法到达聚光面，而且到达另一镜面的入射角必定增大，更大于θ。这样经过多次反射后光线最终被反射出去，而不可能到达聚光面上，（如图1）中A光路所示。

实体复合抛物面聚光器曲面形状通常与普通镜面复合抛物面聚光器相同，二者的不同点在于实体复合抛物面聚光器是由介质折射材料构成的一个实体。由于折射作用，其具有较大的接收半角，可以获得更大的聚光比。

由于聚光器的接收角由其截面的线型参数决定，在出厂后就固定下来，难以适应实际使用时的不同需求，我们设计了用于调整聚光体倾角的连杆结构，从而改变阳光入射角。实现了适用于不同使用情景的多种工作模式。因此，对于在聚光光伏模块中使用的θmax=30°，θmax，ac=48.16°，聚光比为2的聚光器而言，可以在连杆结构的控制下吸收或反射任意高度角的太阳光，具有可即时调节的选择性。

2.2 采光光伏模块

为了能够同时满足太陽能建筑一体化及建筑本身对通透视野、良好采光的需求，基于复合抛物面聚光器以及全反射原理，项目组设计了一种兼顾采光与光伏发电的选择性聚光光伏模块。该模块整体除细条形光伏板外均为透明，能够与玻璃幕墙建筑或普通建筑的窗体部分融为一体。

采光模块聚光体材质为折射率n=1.49的普通有机玻璃。根据全反射发生的条件，阳光从聚光体和空气的交界处射出聚光体时，若光线与聚光体边界线的夹角小于arcsin（1/1.49）≈40°时会发生全反射，在复合抛物面上经过一次全反射后光能将聚集至底部聚光面的小型光伏板，用于发电。剩余未到达光伏板的光线则会透射进入室内，满足用户日常采光需求。每个模块光伏板使用面积为9×0.5×0.02=0.09（m2），相比普通光伏幕墙的0.25m2减少64%。

图2 采光光伏模块效果图、爆炸图

2.3 隔热光伏模块

由于采光光伏模块工作时会发生光线折射后透过聚光体的现象，未能充分利用太阳能，也无法通过复合抛物面的选择性来反射出阳光。因此，项目组设计了一种专门针对不需采光时应用于建筑墙体外侧的隔热光伏模块。

上述聚光体模块聚光面为有机玻璃聚光条外的镜面镀膜，由于复合抛物面聚光器对入射光的角度有选择特性，大于接收角的光线最终会反射出去，达到隔热的效果。相比于采光模块，此模块能够实现对阳光的全部接收或全部反射。

2.4 智能控制系统

基于多线程和蓝牙socket的客户端，扁平化的简洁主界面设计，使用户拥有舒适的视觉体验。在辅助功能方面，遥控界面布局人性化，逻辑清晰，充分考虑用户需求且易于控制。在人机交互上，项目组采用讯飞语音识别sdk，实现了操作最简化，提升了用户的使用流畅性。用户能够通过语音控制系统和产品配套的语音识别模块在室内足不出户地轻松调整各模块的工作状态，实现真正的智能家居。

3 创新点及应用

本产品创新点集中体现在：智能化设计，适用范围广，充分考虑使用环境，自主切换工作模式;艺术化外观，真正融入建筑外墙面，彻底改变传统光伏幕墙外观，更具观赏性与设计感;模块化结构，依据实际情况可自行组合，维修保养简便高效、节能环保，支持升级换新;人性化操作，控制方式简单易行，使用寿命长，市场广阔。

本聚光光伏模块创新性地将实体复合抛物面聚光器与双层幕墙结构相结合，与传统光伏幕墙相比具有外表美观、适用性广、不影响建筑内部采光、光伏板使用量少等优势;模块化的设计便于施工和维护，模块功能丰富多样;并开发了针对性的智能控制APP和室内语音控制系统，实现智能家居。

产品的设计满足模块化施工的要求，施工时将制作好的模块运送到施工现场，直接进行拼装。此过程可降低工程量，减少工地废料，提高资源利用率，相较于传统施工过程更加先进便捷。同时产品的设计满足太阳能建筑一体化的要求，在传统光伏幕墙的基础上增加其在现代建筑表面的适用性、改进其作为围护结构的功能多样性，使得产品能综合满足建筑对采光、隔热与太阳能利用的多方面需求，具有广泛的应用前景。

图3 光伏系统在已有建筑改造上的应用

参考文献：

[1]李智超，王天洲，付勇，等.高倍聚光光伏发电系统[Z].南阳利达光电股份有限公司，2009.

[2]住友电气工业株式会社.聚光光伏模块、聚光光伏面板和聚光光伏设备：中国，CN201610349457.2[P].2016-12-07.

[3]Ota， Yasuyuki，Nishioka， Kensuke.Estimation of operating temperature and energy output of concentrator photovoltaic module under concentration conditions[J].Japanese journal of applied physics，2014，（12）：122301.1-122301.5.