聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及聚光模塊的設(shè)計要求

徐熙平，姜勝楠

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

隨著化石能源的不斷開采利用，目前太陽能光伏發(fā)電受到了國內(nèi)外研究人員高度的關(guān)注，被認(rèn)為是清潔能源中應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟的技術(shù)之一［1-3］。光電池經(jīng)過幾代的發(fā)展，也已經(jīng)逐漸成熟。聚光光伏發(fā)電技術(shù)是利用太陽能聚光熱效應(yīng)，將光能通過光電池轉(zhuǎn)化為電能，大大縮小了光電池的采光面積，提高了太陽能的能流密度和光電轉(zhuǎn)化效率。

在聚光光伏發(fā)電技術(shù)（Concentrator Photovoltaics，CPV）中，太陽射線通過聚光模塊最后集中在相對較小的光電池上，從而可以達(dá)到節(jié)約材料的目的［4，5］。通常，此系統(tǒng)可以按照聚光比大小分為兩類：聚光比大于300的高聚光比聚光光伏系統(tǒng)和聚光比在1～300之間的低聚光光伏系統(tǒng)。多結(jié)光電池在中低聚光光伏系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)化效率并沒有達(dá)到一個峰值。高聚光比聚光光伏系統(tǒng)是利用光線點聚焦原理的聚光器作為太陽射線收集和傳播的模塊，而中低聚光比聚光光伏系統(tǒng)是將光線匯聚到光電池呈線性分布的單軸上，從材料成本和轉(zhuǎn)化效率看，兩者各有利弊，高聚光比聚光光伏系統(tǒng)成本高，轉(zhuǎn)換效率高，中低聚光比光伏系統(tǒng)成本低，轉(zhuǎn)換效率低。截止2018年底，以高聚光比聚光光伏系統(tǒng)（361 MW）為主的聚光器已累計裝機(jī)容量387 MW，目前已全部安裝完畢。然而中低聚光光伏系統(tǒng)并沒有進(jìn)行一個商業(yè)的量產(chǎn)，存在著一定限制因素。因此，將重點介紹聚光光伏系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和各個模塊組成原理，用以說明如何能有效地提高光學(xué)效率和聚光比。

1 聚光光伏系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

圖1 商業(yè)化的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)

1996年，Gordon等提出了二階線聚焦反射型聚光系統(tǒng)的設(shè)計［6］，如圖2所示，該聚光系統(tǒng)由一面一次聚光拋物線反射鏡和二次聚光V型槽組成，其中拋物線反射鏡焦距為1 490 mm，反射鏡開口寬度為2 470 mm；二次聚光V型槽深度為72 mm，出光口寬度為176 mm；光電池寬度為33 mm。利用該聚光系統(tǒng)能夠在50～100聚光比條件下獲得較高的聚光效率和能流密度分布。隨著光電池的研究發(fā)展，2007年，西班牙Abengoa Solar公司建成了世界上首座塔式太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)PS10太陽能熱發(fā)電站［7］，站中配備624片追日鏡，峰值功率11 MW。隨后，Abengoa Solar公司對該發(fā)電站進(jìn)行了擴(kuò)建，于2009年建成PS20太陽能熱發(fā)電站，成為當(dāng)時世界最大的太陽能發(fā)電站。2016年，由于多結(jié)太陽能光電池的大規(guī)模應(yīng)用，聚光光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)生了突破性的進(jìn)展，從而推動了高聚光比聚光光伏系統(tǒng)的研究發(fā)展［8］。實驗表明，多結(jié)太陽能光電池的轉(zhuǎn)化效率在系統(tǒng)聚光比低于508的情況下可以達(dá)到46%。

圖2 二階線聚焦反射型聚光系統(tǒng)

在聚光光伏發(fā)電技術(shù)中，菲涅爾透鏡的開發(fā)利用起著關(guān)鍵性的作用。1979年，馬德里理工大學(xué)的Sala發(fā)表了一篇論文［9］，提出了一種利用較薄的硅樹脂層制作出來的菲涅爾透鏡，實驗表明，該透鏡可以與光波導(dǎo)板配合使用。2000年，O’Neill設(shè)計了Fresnel透射型聚光系統(tǒng)，該聚光系統(tǒng)具有較高的聚光效率，結(jié)構(gòu)也更為輕量化［10］。這就讓菲涅爾透鏡在聚光光伏領(lǐng)域得到了廣闊的市場。2014年，于春巖等設(shè)計了一種透射式雙面菲涅耳聚光鏡［11］，如圖3所示。結(jié)果表明，光線在前后表面的光能損失大大減少；該系統(tǒng)與相同口徑和相同焦距的傳統(tǒng)菲涅耳透鏡相比，聚光效率提高了21.1%。

圖3 雙耳菲涅爾結(jié)構(gòu)模型圖

碟式聚光器是點聚焦反射型聚光器常見結(jié)構(gòu)之一。1992年，Jorgensen和Wendelin提出了多階碟式太陽能聚光器的設(shè)計［12］，該聚光器聚光比可達(dá)100-200，聚光光斑在正方形接收平面上能夠均勻分布。2017年，王進(jìn)軍等人針對傳統(tǒng)點聚焦菲涅耳透鏡聚光分布均勻性較差的問題［13］，設(shè)計了一種分區(qū)多焦點疊加方形光斑均勻聚光菲涅耳透鏡，如圖4所示。結(jié)果表明采用該方法設(shè)計的透鏡聚焦光斑形狀為方形，聚光均勻度高達(dá)90%以上。

圖4 多碟共焦太陽能聚光器模型

對于塔式太陽能聚光系統(tǒng)而言，其原理是將由定日鏡收集的光線反射到中心高塔的接收端（光電池），完成光電轉(zhuǎn)換。如圖5所示，國內(nèi)首座塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)于2006年在南京江寧建成［14］。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前并網(wǎng)發(fā)電的規(guī)?；瘍δ芩焦鉄犭娬尽锌氐铝罟?0 MW塔式光熱電站也已經(jīng)投入運營，該發(fā)電站完全采用中控太陽能公司自主創(chuàng)新的技術(shù)及國產(chǎn)化裝備。

圖5 中控德令哈10MW塔式光熱電站

此外，美國太陽能廠SolarReserve在2016年提出了SandStone計劃，其核心內(nèi)容是花費約50億美元在內(nèi)華達(dá)州打造號稱全球最大的太陽能發(fā)電站，并全天提供超過百萬戶的民生用電［15］。該發(fā)電站中的太陽能聚光器擬采用多塔式太陽能聚光系統(tǒng)，利用超過10萬片追日鏡將收集到的太陽光線反射至高塔中，通過塔中的熔鹽能量儲存系統(tǒng)將水煮沸，推動氣渦輪轉(zhuǎn)動。

圖6 美國Ivanpah塔式太陽能發(fā)電站

隨著市場中對太陽能光線的追蹤精度要求越來越高，聚光器與跟蹤軸的配合使用是必然趨勢。跟蹤軸分為單軸和雙軸系統(tǒng)［16］，其中單軸跟蹤器屬于季節(jié)性追蹤系統(tǒng)；而雙軸跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)全年太陽的運行方式，不斷地變化聚光器的光線接受角度，盡可能地以最高的光學(xué)效率完成光電轉(zhuǎn)換，然而相對于單軸跟蹤器其成本略高［17］。2014年，Teng等提出了一個創(chuàng)新性的復(fù)合跟蹤軸，該結(jié)構(gòu)分為一個機(jī)械單軸追蹤器和一組可傳動棱鏡片［18］，如圖7所示。實驗表明，可傳動棱鏡組可以校正由于太陽運行造成的聚光器接收角度的誤差。

圖7 復(fù)合跟蹤軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 聚光器中的組件及具體設(shè)計要求

2.1 聚光模塊中主要的光學(xué)特性

光學(xué)效率ηopt作為聚光器系統(tǒng)中最重要的性能參數(shù)，它可以通過最終傳輸?shù)焦怆姵厣系哪芰抗β剩≒flux,cell）與開始時聚光器收集到總的太陽射線能量功率（Paperture）的比值來計算得出：

光線在聚光器傳播的過程中，引起能量功率減小的原因主要是光學(xué)透鏡中存在的菲涅爾損耗，其包括了透鏡材料的吸收損耗、透鏡對入射到表面的光線反射損耗和由于菲涅爾透鏡形狀和結(jié)構(gòu)不均勻造成的散射損耗。此外，也需要考慮在透射系統(tǒng)中不可避免的色散損耗。不單單是在透鏡中發(fā)生的光線能量損耗，在實際加工裝配的過程中，系統(tǒng)的配置公差對光線能量的影響也是相對較大，比如光電池位置擺放和集熱器對光線的部分遮擋（卡塞格林系統(tǒng)中二次雙曲面元件對入射光線的遮擋）。在實際的應(yīng)用中，考慮到風(fēng)阻和天氣的影響，通常都會利用一層可透射的玻璃層作為保護(hù)元件，這樣就會導(dǎo)致光線進(jìn)一步的反射損耗。如圖8所示，聚光模塊中的具體參數(shù)對光學(xué)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)影響較大。其中，焦距f決定著模塊的高度，半角θ決定著光線的接受面積和光線在其中發(fā)射時的傳播角度，這對于提高光學(xué)效率和控制系統(tǒng)的體積大小有著重要的意義。

教學(xué)中把培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的應(yīng)用能力放在首位，抓住課程教學(xué)的四要素，即從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和評價方法等方面進(jìn)行課程教學(xué)模式改革，實現(xiàn)教師的教學(xué)觀念、方法和學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念、方法的轉(zhuǎn)變.

圖8 基于菲涅爾透鏡的聚光器原理圖

聚光器中另一個重要的系統(tǒng)參數(shù)是聚光比Cgeo，其定義為太陽光線入射到聚光器上表面的面積Aaperture與光電池上光線最后照射的面積Acell,des的比值。

對于平板型光波導(dǎo)板太陽能聚光器的幾何聚光比可以簡化為光波導(dǎo)板的長度與寬度的比值。聚光光伏系統(tǒng)中的光線接受角度α是決定著市場發(fā)展的主要因素，角度越大，說明系統(tǒng)的公差范圍越高，潛在的市場前景也會相對較大。α被定義為聚光模塊可以向著太陽的方向移動的角度。想要獲得最大的轉(zhuǎn)化能量，就要使聚光模塊時刻精確地對準(zhǔn)太陽。利用幾何聚光比和接受角度可以得到一個綜合評價標(biāo)準(zhǔn)—聚光接受因子（CAP）［18］，可由如下公式表示：

進(jìn)一步地，根據(jù)熱力學(xué)守恒定律［20］，可以得到：

式中，θin和θout分別為輸入（光源）與輸出（被收集的光線）光束的最大角度；nin和nout分別為輸入介質(zhì)（空氣）和輸出介質(zhì)（位于聚光模塊和光電池之間）的折射率［21］。

上述的光學(xué)特性在所有種類的聚光系統(tǒng)中都是需要考慮的，光伏聚光器按照光線的傳播原理一般可分為成像光學(xué)系統(tǒng)和非成像光學(xué)系統(tǒng)。成像聚光光伏系統(tǒng)是利用點聚焦的原理，將光線會聚到光電池上，形成一個較小的光斑，可以利用科勒照明系統(tǒng)將光斑按照光電池的尺寸重新分布［22］，使得光線可以均勻分布，減少色差的影響。在成像系統(tǒng)中，一般可以使用非球面透鏡（包括菲涅爾透鏡）和拋物面反射鏡。非成像聚光光伏系統(tǒng)則不能形成一個較小的光斑，而是將光線以最大的能量轉(zhuǎn)遞，這使得光線的發(fā)散角度更大，同時對系統(tǒng)的光傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)要求較高。在設(shè)計非成像聚光光學(xué)元件時，需要保證最后的邊緣光線可以照射在光電池的邊緣［23］，這樣就使得其他光線都可以照射在光電池的表面，而不發(fā)生漏光現(xiàn)象。非成像系統(tǒng)中，可以通過全內(nèi)反射傳播光線，比如復(fù)合拋物面聚光器（CPC）等。

2.2 一級聚光光學(xué)模塊（POE）

一級聚光光學(xué)模塊可分為反射鏡光學(xué)元件和透鏡光學(xué)元件。在一定波長的范圍內(nèi)，反射鏡的光譜反射率較高，不會產(chǎn)生色差，因此可以獲得較高的光學(xué)效率。如圖9所示，給出了不同材料的表面光譜反射率的測量結(jié)果，并與標(biāo)準(zhǔn)的太陽參考光譜進(jìn)行了比較。則可以發(fā)現(xiàn)，鍍銀反射鏡的光譜反射率為94.6%，其光學(xué)性能最佳，由于考慮到成本的問題，一般使用鋁涂層反射鏡（光譜反射率為90.2%）［24］，實驗表明，其市場應(yīng)用價值最大。

圖9 多種材料的光譜反射率比較示意圖

具有消色差性質(zhì)的點聚焦光學(xué)系統(tǒng)可以分為共軸系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)（非對稱）［25-27］。經(jīng)典的卡塞格林系統(tǒng)由拋物面反射鏡和雙曲面反射鏡組合而成，其原理是將光線經(jīng)過兩次反射，聚焦到雙曲面鏡的一個焦點上，同時在該焦點處放置小型光電池。整體的體積減小，光學(xué)效率提高，但是雙曲面鏡對入射光線的遮擋造成一定的光學(xué)損失。因此目前需要考慮的問題是如何將雙曲面鏡的體積減小同時也能滿足光線的有效會聚。在碟式聚光器和塔式聚光器中，通常使用大型的反射鏡，其面積大約在1～400 m2左右［28］，反射鏡的面型分別為拋物面和平面。從機(jī)械穩(wěn)定性的方面來看，塔式聚光器中的定日鏡面積相對較小，穩(wěn)定性較高；跟蹤軸的電源可以與發(fā)電塔內(nèi)部電路相連，從而減少了自身電機(jī)的數(shù)量和系統(tǒng)的重量。Lasich等提出了一種可以獨立控制的定日鏡，雖然加大了成本的花費，但提高了發(fā)電功率和光學(xué)效率，實驗表明，集熱塔的發(fā)電功率一般可在百瓦或兆瓦級別［29］。

利用若干個透鏡可以組成一級聚光光學(xué)元件，通常每個透鏡單元面積在4～1 000 cm2之間［30］，然后根據(jù)實際需要將透鏡進(jìn)行陣列并拼接。需要考慮選擇成本低、透射率高和組合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的透鏡，這樣才能在市場中大規(guī)模使用。因此，利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制造的菲涅爾透鏡得到了廣泛的關(guān)注，然而，在實際制造中，刻槽的加工仍然是一個需要克服的難題。如圖9所示，PMMA在1 125 nm波段之內(nèi)，可以保持與二氧化硅玻璃相似的光譜透射率；其后波段的范圍內(nèi)，透過率雖然出現(xiàn)下降，但這一點對于多結(jié)光電池中的電流產(chǎn)生機(jī)制是有益的。

圖10 硅質(zhì)玻璃與PMMA的光譜透射率對比圖

透鏡需要考慮的缺點之一是由于不同波長的光線發(fā)生的偏折角度不同而引起的色差損耗，另外材料的折射率會隨著溫度的變化而變化。因此必須將這兩種影響作為一個整體來考慮：色差引起的焦點光斑分離同時隨著溫度的變化引起的各個波段光線的焦距改變。Languy等提出了一種由PMMA和聚碳酸酯（PC）的復(fù)合材料制成的消色差菲涅爾透鏡［31］。Vallerotto等提出了另一種消色差菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將PMMA層覆蓋到由硅酮或乙烯-醋酸乙烯酯制成的玻璃板上。

2.3 二級聚光光學(xué)模塊

在聚光光伏系統(tǒng)中，引入二級聚光光學(xué)模塊可以提高光通量分布密度、光線接受角、光學(xué)效率。二級聚光光學(xué)模塊的加入不僅可以將聚光比提高到300～1 000，最重要的是其保證了聚光器與光電池的順利耦合，提高了系統(tǒng)的加工公差。光線正常經(jīng)過一次聚光之后，會聚在光電池上會發(fā)生光學(xué)色散現(xiàn)象并會在其隨意區(qū)域上將溫度提高，這無疑會縮短光電池的使用壽命。光線經(jīng)過二級聚光光伏模塊處理之后，將會改善光束質(zhì)量，讓光電池表面可以均勻地被光斑照射。

反射型的二級聚光光學(xué)模塊可以呈錐形，可以根據(jù)光電池的面積調(diào)整錐形的截面位置。通常，其不會被放在會聚光斑的過程中，以避免造成過大的光學(xué)損失。折射型二級聚光光學(xué)模塊有著相對反射型元件更高的聚光比和光線接收，Menard等提出了一種球形透鏡，這種透鏡可以增加接收角，使光通量分布均勻，并由于其形狀規(guī)則，所以更加易于制造。

采用反射或折射復(fù)合拋物面聚光器（CPC）可以最大程度地提高聚光比。Helmers等提出了一個由密集陣列元件組成的反射型CPC的模型，該模型可用于將光電池上的光通量分布均勻。由于光通量強(qiáng)度不同會導(dǎo)致光電池中激發(fā)電流不同，因此需要利用CPC實現(xiàn)均勻照明。Victoria等對可反射的圓錐面透鏡、錐體透鏡、CPC和圓形透鏡的光學(xué)性能進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，無論選擇哪種光學(xué)實體，其光學(xué)性能都由光學(xué)系統(tǒng)的實際需求和自身的材料所決定。

3 結(jié)語

聚光光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展了30多年，已經(jīng)可以在一些太陽能資源豐富的地區(qū)使用。不斷地去研究新型高效的聚光模塊，使得光伏行業(yè)的市場前景更加廣闊，在以后的能源利用中，將會占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著光電池的技術(shù)不斷更新發(fā)展，其成本將會大大降低，行業(yè)將會迎來大規(guī)模地發(fā)展。然而，如何降低總體成本、提高系統(tǒng)的耐受性和提高系統(tǒng)總體的光學(xué)性能仍是今后所要研究的主要方向。