【正文】 ，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。但是由于電機回轉(zhuǎn)、齒輪等不可避免的機械誤差導致光線偏移會超過 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(guān)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。時 偏移角為 1176。時 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 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(shè)計（論文） 15 偏移角為 176。 偏移角為 0176。 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?！? 1176。 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(shè)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。 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(shè)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(jié)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 。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(shè)計出效率超過 50 %的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng) [19] 較為突出。 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。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(shù)在儲能領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。 此外，由于太陽能電池所產(chǎn)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。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。 EUCLIDES[16] 的散熱器由輕質(zhì)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(zhì)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。 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。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。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] 。 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 主動式冷卻是指用流動的水或其它介質(zhì)將聚光組件工作時產(chǎn)生的熱量帶走，以達到冷卻太陽電池的目的。因此電池散熱是模組 設(shè)計時必須優(yōu)先考慮的因素之一。如圖 。 追日系統(tǒng)按機械設(shè)計又分為單軸系統(tǒng)和雙軸系統(tǒng)， 目前 ,對日跟蹤器的設(shè)計方案眾多 ,形式不拘一格 。 通常的做法是將兩者結(jié)合，首先，通過天文年歷大致判斷太陽的的位置，避免另一種追日系統(tǒng)的多余工作量 。而對于高倍聚光系統(tǒng)必須使用光機電一體化的追日方式，因為在高倍聚光下天文年歷的精度無法滿足系統(tǒng)的需求。天文年歷中可以查到不同地區(qū)不同時段的太陽方位，只要將其編程輸入控制器件并驅(qū)動電機帶動機械框架實現(xiàn)追日。 追日系統(tǒng)原理 如我們所知追日系統(tǒng)的根本作用就是保持電池模組與太陽光入射方向垂直已達到保持模組表面積上最大的輻射通量的目的，進而使電池處于光電轉(zhuǎn)換效率湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 的峰值水平 。的接收角度誤差方可達到 90%的額定能源輸入。 在低倍聚光光伏模塊中則需小于177。 176。 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 晶硅電池與 GaAs電池耐熱性對比 圖 晶硅與Ⅲ Ⅴ族電池對太陽光譜的響應(yīng)對比 追日系統(tǒng)及其他附屬系統(tǒng) 對于聚光型發(fā)電系統(tǒng)，只有當光線 垂直照射在聚光器件時才能使接收到的能量達到最大，一般情況下超過 10倍聚光率的系統(tǒng)都需要追日系統(tǒng)來保證聚光效果。然而Ⅲ Ⅴ電 池因其很好的高溫特性和更廣的光譜響應(yīng)特性（如圖 ） [9] 成為聚光光伏電池的主流。原理圖如 。所以為了增加對入射光線偏離角的容忍度，在電池表面增加二次聚光，常用的方法是使用光錐和光杯。光學效率衰減 64%，當偏離角增至 1176。而且機械偏差會造成入射光線偏離聚光器軸向方向，造成電池表面光斑的光強分布迅速衰減。利用菲涅耳透鏡的發(fā)電系統(tǒng)可以將多個聚光單元緊湊的排列形成模組，具有較好的應(yīng)用前景 [6] 。 圖 反射式聚光原理圖 湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 折射聚光原理 折射式聚光技術(shù)的核心是菲涅耳透鏡的應(yīng)用，利用菲涅耳透鏡具有不同折射角度的特點將其表面的光線折射匯聚至電池表面，其原理如圖 。該方法的有點在于不存在色散現(xiàn)象，輻射分布均勻，反射率可以接近 100%。 反射聚光原理 反射聚光原理如圖 ，是利用高反射率的材料將太陽光匯聚到電池之上得到較高的聚光比，通常該類型的聚光器有拋面鏡、平板、拋物槽、組合拋 物面等幾種。 假定串聯(lián)電阻較小 ,通過對太陽能電池單指數(shù)模型進行數(shù)學處理 ,可得到聚光條件下的最大轉(zhuǎn)換效率為 s c 0i n o cm k m k= [1 ] [ l n l n x ]eeSCM ITTPV?η （ I / I ） + （ 7） 由 (7)式可見 ,轉(zhuǎn)換效率隨著聚光比增加而呈對數(shù)型增加 。首先在非聚光條件下太陽能電池的電流 電壓關(guān)系為 0ln ( 1)ockT IscVm eI?? （ 1） 或 /0 ( 1)meV kTscI I I e? ? ? （ 2） 其中 ocV 為開路電壓， scI 為短路電流， 0I 為暗電流， m為 考慮光生載流子各種復合過程的理想因子 ,一般情況下 , 1 m 2. 太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為電池的最大輸出功率與入射太陽光功率 mP 的比值 ,可以表示為 oc scin=V I FFPη （ 3） 其中， FF為填充因子，他表示電池輸出特性曲線的“方形”程度。按光學原理的不同分為反射式聚光和折射式聚光，按照聚光形式的不同又分為線聚光和點聚光，從而產(chǎn)生了蝶形、槽型發(fā)電系統(tǒng)和菲涅耳透鏡發(fā)電系統(tǒng)。其原理是太陽光通過聚光器件匯聚到高性能的Ⅲ Ⅴ族電池片上，電池片單位面積輻照度較晶 硅電池得到較大提升，從而提高了光電轉(zhuǎn)換效率和發(fā)電量，并節(jié)省了制作大面積晶硅電池所用的材料，大幅降低了發(fā)電成本。前者是通過聚光產(chǎn)生的大量的熱能轉(zhuǎn)化為機械能從而發(fā)電；而后者是利用太陽能電池的內(nèi)光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)換為電能，因此成為太陽能聚光發(fā)電技術(shù)的主流方向。目前，發(fā)電效率已經(jīng)達到已達到 40%以上。 圖 第二代薄膜太陽能電池 第三技術(shù)聚光光伏技術(shù)，該技術(shù)的核心就是通過 聚光器組件 提高太陽能表面的入射光輻射照度 ，從而提高單位面積太陽能電池的輸出功率（如圖 ）。 第一代光伏技術(shù)是以單晶 /多晶硅為材料的硅太陽能電池為代表的（如圖），其電池光電轉(zhuǎn)換效率在 20%左右，特點是制作電池材料的硅在地球上的儲量非常大，適合大批量生產(chǎn)，因為需要擴大電池面積來提高發(fā)電量，所以成本較高。 技術(shù)的發(fā)展 20 世紀 70 年代初的中東戰(zhàn)爭引發(fā)了“石油危機”后世界范圍內(nèi)掀起了太陽能開發(fā)利用的熱潮。于是，各個國家都開始了對聚光光伏技術(shù)的研究，實現(xiàn)了更高的光電轉(zhuǎn)換效率和降低成本。湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 起初的晶硅 /非晶硅電池的效率已經(jīng)接近理論極限，且由于其發(fā)電成本遠高于主流發(fā)電成本，以上兩個問題顯的非常棘手。 太陽能 由于其 無噪聲 、 無污染 、 能量隨處可得 、 不受地域限制 、 無需消耗燃料 、 可以無人值守 、 建設(shè)周期短 、 規(guī)模設(shè)計自由度大 、 可就地使用 、 容易儲存 、 還可以方便地與建筑物相結(jié)合等 特點成為了較好的選擇， 這些優(yōu)點都是常規(guī)發(fā)電和其它發(fā)電方式所不能比擬的 ， 而且使用太陽能光伏發(fā)電可以既不為核電站可能發(fā)生的核泄露事故而煩惱 ， 也不必為水電站的堤壩可能在戰(zhàn)爭或地震中崩潰而擔憂 ，所以對太陽能發(fā)電技術(shù)的研究具有十分重要的意義。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”。太陽每秒鐘放射的能量大約是 2310 kw，其中到達地球的能量高達 8 1310 kw，相當于 6 910 噸標準煤。太陽能是取之不盡的儲量能源的一萬倍。例如嚴重的空氣污染、溫室效應(yīng)引起的海平面上升、全球熱浪及各種災害的頻發(fā)，已經(jīng)嚴重威脅到人類的生存。 在中世紀的英國，人們幾乎砍光了樹木來做木柴，于是開始開采淺層地表的煤炭，從此化石燃料開始成為人類發(fā)展的主要能源，隨后由于深層煤炭的開采，蒸汽機的發(fā)明，石油的開采，汽油、農(nóng)藥從石油中的提煉，世界大戰(zhàn)，人口膨脹等原因，化石燃料成為人類賴以生存的能源，開采量、消耗量逐年上升，使得人類社會發(fā)展到如今的地步 [1] 。 關(guān)鍵詞 ：聚光光伏、菲涅耳透鏡聚光、屋頂系統(tǒng)。 本文簡要介紹了聚光光伏的原理、 優(yōu)勢以及不同技術(shù)路線的特 點。該項應(yīng)用已在歐美等發(fā)達國家大規(guī)模實行，在我國目前處于個別示范性工程的階段。聚光系統(tǒng)則是通過將入射光匯聚于電池表面增加了電池的輻照度和光強，是有效提升電池光電轉(zhuǎn)換效率的做法。 聚光光伏的核心是具有高光電轉(zhuǎn)換效率的Ⅲ — Ⅴ族電池和聚光系統(tǒng)。目前光伏技術(shù)已經(jīng)歷晶硅與薄膜電池兩代，光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展至今由于高成本和并不理想的發(fā)電效率沒能得到普及。湖北工業(yè)大學理學院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計（論文） I 摘