【文章內容簡介】 追日系統(tǒng)按機械設計又分為單軸系統(tǒng)和雙軸系統(tǒng)， 目前 ,對日跟蹤器的設計方案眾多 ,形式不拘一格 。 點聚光結構的聚光器一般要求雙軸跟蹤 ,線聚光結構的聚光器僅需單軸跟蹤 [10] 。如圖 。 圖 單軸、雙軸跟蹤系統(tǒng)示意圖 散熱及外部設備 由于太陽光匯聚后會在電池表面形成非常高的溫度，如果不能及時散熱，光電轉換效率會下降甚至有可能燒毀電池。因此電池散熱是模組 設計時必須優(yōu)先考慮的因素之一。散熱器分主動式冷卻和被動式冷卻 [11] 。 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 11 主動式冷卻是指用流動的水或其它介質將聚光組件工作時產生的熱量帶走，以達到冷卻太陽電池的目的。太陽電池方陣產生的熱量通過散熱器直接散發(fā)到大氣中，這種散熱方式叫被動式冷卻。主動式冷卻可以更好地降低太陽電池的溫度，但這種方法存在的問題是可靠性，如果冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題，太陽電池組件可能由于過高的溫度而燒焦 [12] 。被動式冷卻有較高的可靠性，是聚光電池冷卻的 首選方式 [13] ，但由于大規(guī)模應用和高聚光率產生的高能流密度的情況，則應考慮使用主動式冷卻。聚光太陽電池的散熱是很重要的，這是因為同時要考慮好的導熱性能和好的絕緣性能。 被動式散熱有很多種形式，散熱片的設計是散熱片的成本和所產生電量之間的折衷。 Entech公司所制造的聚光系統(tǒng)中采用被動散熱 [14] ，翅片厚度從根部到尖端逐漸變細，為放射狀排列，翅片所提供的散熱面積為組件截光面積的 4倍，這樣即使在風速低、環(huán)境溫度高、 高輻射時，也能正常散熱，測試表明其溫度僅比一個太陽下的組件高 5— 10oC。 SEA公司 [15] 采用擠制鋁材的散熱片，實驗表明，從散熱片到空氣的溫度降至少是散熱片內部溫度降的 5倍，所以散熱片到空氣的傳熱是主要的熱阻，主要的散熱依靠 3個翅片和 2個組件的側邊， 3個翅片上都有突出物既加大了換熱面積，也加強了對空氣的擾動增強了傳熱。 EUCLIDES[16] 的散熱器由輕質鋁翅片組成，通過模擬計算組件背面與空氣的導熱和對流傳熱，得到 了散熱片質量一定時翅片的最佳尺寸和間距，翅片厚 lmm和長 140mm，間距為10mm，但由于制造上有難度，翅片的厚度略有增加。 另外一種散熱片又叫熱擴散片 (heat spreader)，它通常是一張薄銅板，由于銅有很好的導熱性，可以把電池所吸收的熱量很快傳到其他元件上，與傳統(tǒng)的散熱片相比主要特點是結構簡單、質量輕，銅板的表面積通常與聚光器的表面積相當。文獻 [17] 對此傳熱原理有較詳細的論述，作者指出了合理選擇電絕緣層對于傳熱的重要性，并且通過實驗說明此種裝置在 500x下的適用性。 Sandia[18] 開發(fā)出一種散熱器，是把電池直接焊在銅的散熱片，既做為傳熱元件也做為下電極。 此外，由于太陽能電池所產生的電流為直流電，所以聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)需要逆變器才能實現(xiàn)對外供電，當電量富余時需要用儲能裝置來儲能。逆變器將模組輸出的直流電轉變成我們所使用的交流電。儲能裝置不僅有傳統(tǒng)的鉛酸蓄池，而且有利用電能抽水或壓縮空氣待需要時在將其釋放發(fā)電的方式，近年來超導技術在儲能領域也得到廣泛的應用。 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 12 第三章 菲涅耳透鏡聚光系統(tǒng) 在聚光光伏技術中 ，菲涅耳透鏡以其較低的成本以及輕便容易制作等有點成為聚光系統(tǒng)設計者的主要選擇，本章將詳細介紹菲涅耳透鏡聚光原理及二次聚光的重要性。 菲涅耳透鏡 Fresnel 透鏡是由法國物理學家 Augustin Jean Fresnel 在 1822 年發(fā)明的 ,它是采用多個同軸排列或平行排列的棱鏡序列組成不連續(xù)曲面取代了一般透鏡的連續(xù)球面。 Fresnel 透鏡因其結構簡單 ,便于制造 ,重量體積上更輕、更薄 ,設計上可以獲得更大的孔徑與焦距比 ,所以作為太陽能聚光器的應用也越來越受重視。其中以美 國 Wagner 等提出采用 Fresnel 透鏡進行太陽光譜分離的研究預計可以設計出效率超過 50 %的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng) [19] 較為突出。太陽能 Fresnel 聚光透鏡的設計主要是以透鏡的光學效率、成像面上光斑的能量均勻性、色散以及聚光光斑大小與聚光光伏電池的匹配等為主要控制指標 [20] 。 如圖 ， 菲涅 耳 透 鏡的 其 中 一 面 刻 有 一系 列 同 心 棱 形 環(huán)帶 ， 其 中每個 棱 形 環(huán)帶 都相 當于 一 個 獨 立的 折 射 面 ， 這 些 棱 形 環(huán)帶 都 能 使入 射 光 線 會聚 到 一個 共 同 的 焦 點 。 圖 菲涅耳透鏡第 i齒折射光路圖 圖中 h 為光 線 到 光 軸 的 高度 ， L 為 菲涅 耳 透 鏡的 焦 距 ， n 為 材料對 應 入 射光譜的 折 射 率 。 u 為光 線 經(jīng) 菲涅 耳 透 鏡后的 偏 折 角度 ， α 為 菲涅 耳 齒 的 傾 角 ， 計算 公 式 為 ： 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 13 hu=argtan L（ ） （ 1） sin u= a rg ta n n c o s u?α （ ） （ 2） 由（ 1） 、（ 2）可得出結論：在相同的受光面積下，菲涅耳透鏡與相同材料、焦距的凸透鏡相比具有能將更多的光線匯聚于焦平面的優(yōu)點。如 （ a）、 （ b）仿真圖所示。 圖 （ a） 普通凸透鏡聚光光斑輻照度分析圖 圖 （ b） 菲涅耳透鏡聚光光斑輻照度分析圖 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 14 光線偏移對聚光光斑的影響 在聚光光伏中，聚光比的嚴格定義為聚光器表面積與最小光斑的面積之比，我們在希望光線和能量盡可能的集中的同時又希望光線和能量在電池表面均勻分布，我們可以想象到幾十甚至是上千倍的聚光系統(tǒng)中入射光線的偏移會對光斑將有重大影響。那么這個影響有多大呢，以下是對入射光線與主光軸偏移角為 0176?！? 1176。情形的光學仿真。 所采用的菲涅耳透鏡尺寸為 150mm 150mm，厚度 2mm，焦距為 200mm，材料為常見且便宜的 BK7光學玻璃，采用 5mm 5mm電池。達到透鏡表面積的光通量為 W。 偏移角為 0176。時 偏移角為 176。時 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 15 偏移角為 176。時 偏移角為 176。時 偏移角為 176。時 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 16 偏移角為 176。時 偏移角為 176。時 偏移角為 176。時 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 17 偏移角為 176。時 偏移角為 176。時 偏移角為 1176。時 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 18 光線偏移角與電池表面輻照度間的關系可以用表 表 光線偏移角與電池表面輻照度間的關系對比 由此可見， 1176。的 光線的偏移造成電池效率幾乎降為 0，造成這種情況的原因是偏移后的光線經(jīng)菲涅耳透鏡折射后形成光斑也在偏移，據(jù) （ 1）式可知折射角 u與 h之間是對數(shù)關系， h變化越大，折射角 u變化越大，在焦平面光斑的位移也就越大。這也正是聚光光伏系統(tǒng)對追日系統(tǒng)有很高的精度要求的原因。但是由于電機回轉、齒輪等不可避免的機械誤差導致光線偏移會超過 1176。，為解決這個問題下面一節(jié)將介紹二次聚光和勻光技術。 二次聚光及勻光技術 二次聚光 由于機械偏差導致的入射光線與受光面不垂直會直接影響電池表面光斑的輻射分布，而且由菲涅耳透鏡直接折射匯聚后的光斑能量分布不均勻，這些問題都會直接影響電池的效率。而解決著一些問題的最佳途徑就是二次聚光 并將重新匯聚后的光線均勻照射在電池表面。光杯和光錐是最常用的二次聚光、勻光器件。 光杯是由四面高反射材料構成的倒梯形裝光學器件，如圖 （ a），其原理就是經(jīng)菲涅耳透鏡折射匯聚后的光線由倒梯形上方的寬面射入光杯，在高反射率材料之間經(jīng)數(shù)次反射后均勻照射在電池表面。電池與光杯之間采用無縫隙粘附技術。 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 19 圖 （ a） 光杯實物圖 光錐則是由高透過率的光學玻璃構成的實心倒梯形狀光學器件，如圖（ b）。其工作原理是經(jīng)菲涅耳透鏡折射匯聚后的光線射入光錐上方的寬面，在光錐內部經(jīng)全反射均勻照射在電池表面 。 圖 （ b） 光錐實物圖 看上去光錐原理與光杯相比較大同小異，但事實上光錐的效果要好于光杯，其原因是光線在光杯內反射時是有能量損耗的，而在光錐內全反射沒有能量損耗。并且進入光杯內的部分光線會被反射出來。以下將對光錐的二次聚光作用做詳細的分析。 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 20 圖 （ c） 光錐全反射光路圖 圖 （ c）所示為光錐的光路圖，由折射定律和三角集合關系可得： 1 1 2 2n sin =n sinAB （ 1） 21=A D B? （ 2） 31=3A D B??π （ 3） 式 中 ： n1 、 n2分 別 為空 氣 和二 次 聚 光器 材料 的 折 射 率 。 為 了 保 證 光 能 透 過率 需 要 使 光 線 在 側 壁全 反 射 ， 根 據(jù) 全 反 射 定律 可 知 ： 12 2n=arcsin nA （ 4） 13 2n=arcsin nA （ 5） 綜合式（ 1）～（ 5）得： 11122nna r c s i n a r c s i n s i nD ?? （ A ） （ 6） 11122nn3 = a r c s i n a r c s i n s i nD ? （ A ） + π （ 7） 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設計（論文） 21 由 公 式 (6)、 (7)可 確定 入 射 角 A1 和 傾 角 D 的 關 系 ， 從 而 對 全 反 射 式 二 次 聚光器的設計 提供 理 論依 據(jù) 。 對 于存在更 多次全 反 射的 情 況 ， 可以 根 據(jù) 上 述 方 法 進行 推 導 。 而 對 于更 復 雜 的 三 維 聚 光 以 及 多 波長 聚 光的 情 況 ， 則 需 要 結合 光 學 設計軟 件 的光 線追跡 來 進 行 仿 真 設計 。 因此，在設計、安置時二者有一定的區(qū)別。例如，粘附有光杯的電池片在放置于模組時，電池片應處在菲涅耳透鏡的焦距處。而粘附有光錐的電池片在安置在模組時，光錐 的寬面應處在菲涅耳透鏡的焦距處。