用于光伏玻璃幕墙的聚光系统设计与研究

2024-03-08吴佳瑜张宁

长春理工大学学报（自然科学版） 2024年1期

吴佳瑜，张宁

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

由于全球化石燃料的过度使用，导致二氧化碳排放量增加。随着城市化的逐步扩大，建筑表皮的消耗也逐渐增大。研究表明，建筑能源消耗占世界能源消耗的32%以上［1］。太阳能作为最重要的可再生能源之一，具有很多可持续发展的优势，在能源结构转型中具有重要意义。目前大多数太阳能被转化为电能使用，而在建筑领域，引入光伏/热、CPV 系统等可以提高太阳能的使用率。另一方面，在建筑中引入太阳光线可以直接进行采光照明，能够提供舒适的采光环境的同时，也能直接地降低系统的总成本［2］。

Vu 等人［3］将阶梯型光波导板与菲涅耳透镜相连，将太阳光线进行重新定向，然后进入光纤内，光学效率达到了56%左右。Zheng 等人［4］提出了一种新型的线性聚焦、线性跟踪的折反射聚光系统，并对其进行了屋顶集成太阳能热应用分析，光学效率可以达到66%～69%。Gagliano等人［5］对带有光伏热装置的住宅建筑进行能力输出分析，实验结果表明，光伏热建筑表面可产生3 343～2 287 kW·h 的发电量，使生活热水发电量的能源需求分别减少了55.5% 和43.5%。Wang 等人［6］使用了一种线性菲涅耳装置，仿真与实验分析结果表明，当跟踪误差小于1 时，系统的光学效率可以达到62%，电池单元的能量转化率达到14.7%，电池模块的转换效率达到13.6%。这些光伏热都说明了太阳能的可利用性十足。

文中利用三维建模软件Autodesk Fusion 360提出了单元式光伏玻璃幕墙的理念，以聚光器和太阳能电池为基础，在幕墙与玻璃背板之间内置了温湿度、气体、光照等多种传感器，可以对建筑内部进行环境调控。重点讲述了由平面和抛物面组成的混合式聚光器结构。利用建模软件Light Tools 以及仿真软件DIALUX 对聚光系统进行了设计和仿真，仿真结果表明其聚光效率在70%左右，系统效率可达到90%以上。本系统将有效改善室内环境的光、声、气，给人们带来全新的生活和工作体验。

1 系统方案设计

为解决建筑能耗问题，改善室内环境，建设绿色城市，本文提出一种新型聚光器用于光伏玻璃幕墙［7］。聚光光伏系统整个系统由混合式聚光模块、供电模块以及中央控制模块（包括中央处理器、通风系统、温湿度控制系统、环境监测系统等）三大部分组成。太阳光经过混合式聚光光学系统后，一部分用于采光照明，另一部分通过导光板进行收集存储，进行光电转换，太阳能自动追踪装置则保证系统最大程度地接收太阳能。传感器实时监测室内辐照度变化并根据反馈结果控制LED 进行补偿照明，LED 由光伏系统供电，发出的光经过光发散器对室内辐照度进行补充，保证满足室内照明需求。同时，添加“空气墙”作为系统的气体交换通道，配备温湿度、光照、气体等多种传感器。双层玻璃背板以及单元式光伏玻璃幕墙的多层结构能够很好地隔绝外界噪音，为人们打造最适宜的生活环境。单元式可拼接结构能够自由、按需组合，大大地减小了幕墙的生产、安装和维护成本。系统的工作过程示意图如图1 所示，单元式光伏玻璃幕墙的结构如图2 所示。

图2 单元式光伏玻璃幕墙结构

太阳光入射后，一部分透过聚光器为室内提供采光照明，另一部分通过聚光器将光线会聚到安装在单元式光伏玻璃幕墙下端的太阳能电池处，进行光电转换。由电源控制器智能分配电能，合理确定供电方式，输出的直流电一方面存储在蓄电模块中，可保障应急情况的供电，另一方面经PV 逆变器、变压器转化为220 V、50 Hz的交流电并入电网中。系统电气连接示意图如图3 所示。

图3 系统电气连接示意图

本文提出的光伏玻璃幕墙，将自然采光与聚光光伏结构相结合，实现集自然采光与光伏建筑一体化的聚光器模型。旨在实现聚光系统多功能的前提下，完成室内自然照明需求的同时不降低聚光光伏系统的转化效率。通过仿真实验论证与对比，详细分析了影响聚光器性能的几个参数，如移动距离、宽度等。在提高系统的光电转化效率的同时实现自然采光照度均匀。

2 聚光模型原理与设计

传统环形平面聚光器提供高聚光比，但对入射角有严格的公差。当入射光偏离垂直入射方向时，聚光效率急剧下降［8］。本文是由平面、抛物面组成的混合式聚光器。聚光光伏玻璃幕墙系统的关键部件，初始模型设定成一条过原点的抛物线，如图4 所示。设抛物线方程为：

图4 抛物线焦点以上的部分

由抛物线的性质可以知道，平行于y轴的入射光线，将汇聚到抛物线的焦点处。为使光线可以顺利进入到导光板中。只保留抛物线焦点以上的实线部分，作为聚光器的基础结构，该部分可以表示为：

其中，a为抛物线系数。

为了扩大接受角度，提出了一种具有弧形结构的薄板聚光器。图5 为混合式聚光器的设计过程。首先将已知抛物面A沿一个方向移动一定距离得到第二个抛物面结构A′。从A′中剪掉A，形成弧形结构（阴影部分），作为聚光器的主体结构。在模拟光路过程中，入射到聚光器两侧的边缘光线会从光波导板的侧面射出，同时为便于将双抛物面结构阵列化，将主聚光器宽度修剪为D。修正该结构的底部，使其附着在导光板上，形成带有导光板的双抛结构的聚光器。Yin 等人［9］对双抛物线结构的聚光器的高度进行了分析，如果聚光模块高度过小，光线将直接从双抛物面结构的下表面泄漏。另一方面，聚光模块高度也不能太大，如果聚光模块高度过大，光线进入导光板后将无法满足全内反射条件。为了使光线进入导光板后能够正常传输，聚光模块高度必须在最小和最大临界值之间，因此其高度的取值范围可以通过公式计算：

图5 聚光器的设计过程

其中，h为聚光器高度；θ为入射角。

在本文中，提出的新型玻璃幕墙聚光系统，目的在于使一部分光线直接进入室内进行采光照明，另一部分光线进行收集用于光伏转换。因为平行于抛物线y轴线的平行光线照射到聚光器的壁上经反射会汇聚到抛物线焦点处。当最外侧光线也能顺利到达导光板上，所有光线都能发生全反射汇聚到抛物线的焦点处，进入到导光板不会出现漏光情况。此时计算移动距离最小值为当移动距离变大时，垂直照到聚光器底部的光线将直接进入室内采光，而到达聚光器壁的光线将汇聚随后进入导光板。这样就实现了光伏和采光的双重功能。经过上述分析可知，垂直入射到达抛物面底部的光线将直接进入室内进行采光，所以移动距离过大，会导致聚光效率降低。经过计算移动距离的范围可以表示为：

其中，l为导光板厚度；d为移动距离。

聚光单元的宽度也是影响聚光效率的另一个重要因素，理想的聚光器应符合基本的保温避风等应用需求，同时照度均匀且光强较强。但当聚光器宽度较小时，会产生较小的光学聚光比。因此定义选用的单元模块的最小值为。当单元模块很宽时，拼接处将出现空隙，影响到光伏玻璃幕墙的实用性。在两个聚光单元模块相交处切割，此时不存在拼接间隙，此时的光伏玻璃幕墙更具有实用性。经过计算，保证模块拼接时无间隙，聚光单元的最大厚度为但此时的聚光器无法保证，所有光线在进入导光板后，在导光板的边缘都能发生全内反射。所以此时需要对边缘光线进行分析。假设临界状态如图6 所示。此时A点与O点在Z方向的距离为，当此时边缘射线对应的入射角β为：

图6 所有光线内部反射的临界状态示意图（X-Z 视图）

如果β大于PMMA 临界角，则此时聚光器的边缘光也满足在全内反射的条件，则最大宽度为如果β小于α，则说明边缘光线无法满足全内反射的条件，那么此时最大宽度应该是：

其中，α是PMMA 发生全内反射临界角。

3 仿真与性能分析

光线追迹是分析聚光器性能的重要方法之一。通过光线追迹来分析系统的光学效率、光电增益、接受范围等光学性能［10］。本文主要是通过改变聚光器的结构来分析系统的接收率、透过率等性能参数。对于光线模拟追迹，首先在Soildworks 中建立基本的结构模型，然后导入到LightTools 中。LightTools 能够快速准确地分析光线追踪，同时还为非成像光学提供准确的追迹路径以及性能分析。建立仿真模型示意图，如图7（a）所示。光线从聚光器上表面入射后，部分光线直接透过聚光器底部，从下表面出射后照射到正下方的接收器上（模拟进入房间的光量，定义为透过率）。另一部分光线到达聚光器壁反射后，汇聚到焦点上，然后通过导光板传输到导光板的一端进行收集（模拟收集的光量，定义为接收速率）。光线追迹图如图7（b）所示，两个接收器上的照度分布如图7（c）所示。可以看出，两个接收器上的光量都很充足且分布均匀。

图7 建立聚光模块模型与仿真

为了分析不同情况下聚光器的性能。在控制双抛物线a值相同，单元模型的高度相同的情况下，通过改变双抛物线的移动范围以及聚光单元模块宽度，得到相对应的接收率和透过率。在a= 0.024、h= 30 mm 时，相对应的产生了宽度与移动距离的极值，在设计初期的光线追迹仿真发现，当入射角偏角大于±3°时，聚光系统的聚光效率会急剧下降至0，因此聚光器的接收范围为±3°。接下来将对入射偏角为±3°以内入射角进行分析（入射角偏角指在Y-Z平面入射光线与垂直于聚光器上表面的法线的夹角）。从不同入射角的光路分析发现，入射光线进入聚光器的抛物面壁和聚光器底时，光路不同。因此通过仿真对移动距离不同时所构成的双抛物面结构进行比较。图8 显示了不同入射角时35～65 mm的移动距离接收率和透过率的结果。

图8 不同移动距离的对聚光器的光学性能的影响

结果表明，当入射偏角大时，不同移动距离的聚光模块的接收率基本都是0，并且有较高的透过率。如入射角在2°时，不同移动距离的接收率都为0。移动距离为50 mm 时，透过率也低于30%，而移动距离为35 mm 的模块，透过率超过80%。但当入射角度接近垂直入射时，此时聚光模块具有较高接收率和较低的透过率。以0°入射角为例，移动距离为40 mm 的接收率为74%，透过率为15%。而移动距离为65 mm 时，聚光器的接收率为35%，透过率为40%。

单元模块的宽度会影响到阵列后的聚光器上表面积大小，在保证双抛物线结构其他条件相同时，改变聚光单元模块的宽度，得到接收率和透过率的变化曲线。图9 显示在20～70 mm 的单元模块宽度内接收率和透过率的结果。

图9 不同单元宽度的聚光器对光学性能的影响

通过光线追迹模拟结果可以看出，不同宽度的单元模块的接收率和透过率存在差别的同时也存在一些相同特征。如在入射光线偏离较大时，不同宽度的单元模块都具有较低的接收率和较高的透过率。当入射偏角为-3°时，大部分的聚光模块在导光板的接受率接近于0，60 mm和70 mm 宽度的模块能够接收到来自导光板的光线。而在垂直入射时，不同模块的接收率都超过了40%。说明入射角偏离大小，会严重影响到整个系统的光学效率。

通常，较大的入射角会出现在太阳高度低、太阳辐射弱的早晚，而较小的入射角出现在太阳高度高、太阳辐射强的中午，所以非常适合新型光伏幕墙应用。即在早上或晚上光线较差时，新型光伏玻璃幕墙允许更多的太阳辐射进入建筑物进行采光。正午光线充足时，它将大部分太阳辐射导向光伏电池，将适当光量的光线进入建筑物内，维持一整天内相对舒适的采光环境。在垂直入射时，透射光线的最大值出现在宽度为60 mm 时，此时的透过率仍低于50%，说明即使在光线充足的正午，光伏玻璃幕墙系统也能有效地减少光线进入，减少眩光等现象。将多余的光线进行收集，而此时的接收率仍高于30%，可以大大减少能源的浪费。

4 系统室内照明仿真测试

为了分析系统对整个室内的光强分布，利用DIALux 软件建立了一个测试空间，在室内分别采用自然光照明以及LED 辅助照明实现室内的稳定照明，并通过仿真得到的照明效果及光度学分析报表检验方案是否符合标准。我国现行的《建筑照明设计标准》中的照明环境照度要求，如表1 所示。

表1 现行建筑照明标准

选择东经116.4°，北纬39.9°处的夏至日，对光伏玻璃幕墙系统进行室内照明方案设计及分析。假设一个面积为6 m×5 m×3 m 的教室，此房间向南。选择合适的灯具来代替太阳光向室内提供的光通量，用于显示室内地面的辐照度分布并评价照度均匀性。利用适当面积的光纤照明系统完成教室的主照明。在建筑屋顶集成了三个光纤照明系统来照亮室内。每个系统的光纤被分成四个更小的光束照亮内部，在仿真测试中共使用12 根光纤束覆盖30 m2的教室面积。在建立教室模型时首先确定图纸的长和宽，利用DIALux 模拟照明软件，添加相应的办公桌椅以及合适的灯具，分析和评价此时进入室内进行采光照明的太阳光通量，以及进行光伏转化效率。教室的整体俯视图如图10 所示。

图10 模拟室内环境的整体俯视图

针对所测试教室，在每个窗上放置20×50 阵列的聚光模块，假设该系统的追踪系统是符合预期的。利用DIAlux 软件模拟，对比教室内不同时刻有聚光光伏系统及无光伏系统的照度情况，包括等照度值的分布及伪色图。其中伪色图是为了方便观察光能的分布情况，按照不同照度值划分区域并以不同颜色示意，照明效果对比如图11～13 所示。

图11 传统建筑幕墙正午12：00 时采光情况

通过上述三种情况的对比可以看出，在没有安装玻璃幕墙的房间里，光线分布非常不均匀，在正午12：00 时，如图11（a）的等辐照度分布线可以看出，通过窗户进入到室内的光线较多，并集中在靠近窗户的一小部分，该区域的等辐照线已经到达了1 000 lx（图中已用红色表示），而小区域的过高的集中照射会导致眩光，使人体感到不适。在其他区域的照度较低，并没有满足国标所要求的工作面达到300 lx 的照度。对于下午16：00，等照度分布图如图12（a），除了靠近窗户的一列辐照度最高达到了500 lx，教室内大部分区域都不满足300 lx 的要求。这几种情况都不满足学生的学习生活。而对于新型聚光光伏系统，在正午时，为室内提供系统50%的光通量用于采光照明，这样既减少了过多的光能进入室内引起不适，也将多余的光线收集起来，用于光电转换，减少光能的损耗。而在下午太阳光线不足时，将之前进行光电转换的电能用于补偿照明以满足室内的照度需求。从图13 中可以看出，在具有光伏玻璃幕墙的照明系统在0.75 m高的工作面全天均可达到300 lx 的照度，且照度分布较均匀，工作面的均匀度达到了0.956，满足了室内照明照度要求。经过仿真得到带有光伏幕墙的房间的辐照度分析仿真如表2 所示。

表2 辐照度分析结果

图12 传统建筑幕墙下午16：00 时采光情况

图13 新型光伏幕墙全天的采光情况

根据当地实际天气情况，对于传统玻璃房，在正午的情况下，从窗户向室内投射的照度约为170 klx，会引起人眼的不适感，而采用光伏玻璃幕墙系统可使室内照度更加均匀，提高采光舒适度，减少了室内眩目等现象。同时将多余的光线进行汇聚收集，进行光电转换以及光纤传输，大大提高了太阳能的利用率。在提高采光舒适度的同时避免了由于阳光过剩所造成的能源浪费。

系统的经济效益也是可观的。这种设计的成本主要是初期加工成本，使用寿命可达30 年，投入使用后，这一成本将大大降低。如果采用这种设计，当聚光器的聚光效率为70%时，一年接收的太阳总辐射量为4 016.6 MJ/m2，功率为1 157.2 KWH/m2。如果采用CIS 薄膜太阳能电池，平均转换效率为20%，则本设计一年单位面积发电量为231.4 KWH/m2。因此，在使用寿命（30 年）内的总发电量为6 943.2 KWH/m2。按照0.7/KWH元的电价计算，单位面积一年节电161.9 元/m2。在使用寿命（30 年）内可节省电费4 859.4 元/m2。此外，使用寿命内累计减排效益为220.046 46/m2。综上所述，本设计在一个生命周期内的总收益为6 301.646 4 元/m2。对于1 000 m2建筑面积，本设计在一个生命周期内可节约标准煤约1 060 t，累计减少CO2770 t 和SO22 t，总效益约507 万元。因此，这项工作的节能减排效果显著。