【正文】 大。按此計(jì)算，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約 1310 千億噸 [3] ， 源源不斷供給給地球的能量可謂是無限的。這就決定了開發(fā)利用太陽(yáng)能將是人類解 決常規(guī)能源匱乏、枯竭的最有效途徑。 當(dāng)然，事情不會(huì)總是如我們所愿，有著諸多優(yōu)點(diǎn)并且“取之不盡，用之不竭”的太陽(yáng)能在當(dāng) 下并沒有得到普及，其原因是因?yàn)樘?yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的高成本和不盡人意的發(fā)電效率，如何在降低成本的同時(shí)提高發(fā)電效率成為了解決問題的關(guān)鍵。經(jīng)過不斷的探索，人們發(fā)現(xiàn)可以通過將太陽(yáng)光匯聚在太陽(yáng)能電池上可以提高發(fā)電效率，并降低了成本。即便如此，由于一些問題如今聚光光伏技術(shù)仍未能普及，于是對(duì)其更加深入的研究顯得尤為必要。最初的太陽(yáng)能技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域，歷經(jīng)三代發(fā)展。 圖 第一代晶硅太陽(yáng)能電池 第二代技術(shù)是以非晶硅和Ⅱ Ⅵ族元素為材料的薄膜太陽(yáng)能電池（如圖），由于該電池可以以價(jià)格低廉的塑 料、玻璃、陶瓷、石墨、金屬等材料做襯底，所以成本上較晶硅電池有優(yōu)勢(shì)，但是又因?yàn)檩^低的光電轉(zhuǎn)化效率（ 13%左湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 右）并沒得到太多的發(fā)展，其顯著的特點(diǎn)是具有柔性，可以應(yīng)用安置在任何需要太陽(yáng)能發(fā)電的物體表面上。該技術(shù)采用廉價(jià)的光學(xué)聚光元器件和高效率Ⅲ Ⅴ族電池，達(dá)到降低發(fā)電成本和提升發(fā)電量的目的。 圖 第三代聚光太陽(yáng)能技術(shù) 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 聚光光伏及種類 聚光太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)包括太陽(yáng)能光熱技術(shù)和光伏技術(shù)。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第二章 聚光光伏的原理及分類 聚光光伏的原理 顧名思義，聚光光伏就是通過將太陽(yáng)光匯聚于太陽(yáng)能電池的發(fā)電方式。并通過追日系統(tǒng)使電池時(shí)刻保持最大發(fā)電量。 在非聚光情況下， 太陽(yáng)電池性能的提高主要得益于電池開路電壓和光生電流的提高 [4] 。 在 聚光條件下， 假設(shè)光生電流與太陽(yáng)電池的聚光比成正比 ,與 (1)式和 (2)式對(duì)比可得到聚光太陽(yáng)電池的電流 電壓關(guān)系為 o c x o c k= m lneTV V X? （ 4） m e / ksc 0x e VTXI I I? （ 1 ） （ 5） 轉(zhuǎn)換效率可表示為 ocx scxin= xV I FFPη （ 6） 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 其中 x為太陽(yáng)能電池的聚光比。以下將做簡(jiǎn)要介紹。其材料常用鍍銀玻璃、鍍鋁面和高分子材料制成的高反射率薄膜 [5] 。主要應(yīng)用于碟型和槽式發(fā)電系統(tǒng)，缺點(diǎn)在于安裝復(fù)雜，而且電池的支撐冷卻裝置會(huì)產(chǎn)生陰影。由于菲涅耳透鏡容易制作、輕便、價(jià)格低， 較反射式聚光有成本優(yōu)勢(shì)。 圖 折射式聚光示意圖 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 二次聚光 無論是反射式聚光還是折射聚光都無法直接將光線均勻的匯聚到電池表面，電池表面光斑光強(qiáng)分布并不均勻。以 400菲涅耳透鏡為例，當(dāng)入射角偏離 176。光學(xué)效率為 0[7] 。前者光線從光錐的寬面進(jìn)入光錐通過全反射均勻照射在電池表面，后者則是光線在光杯內(nèi)經(jīng)數(shù)次反射均勻照射在電池表面。 圖 光錐光路圖 Ⅲ Ⅴ族電池 聚光光伏早期使用的也是晶硅電池，但是隨著聚光倍數(shù)的增高，電池表面溫度上升，晶硅電池的效率隨之下降（如圖 ） [8] 。典型的有 InP／ GaAs／ Ge三節(jié)砷化鎵電池，該電池采用外延生長(zhǎng)技術(shù)在 GaAs層上增長(zhǎng) InP和 Ge層從而提高了電池整體對(duì)太陽(yáng)光光譜的響應(yīng)范圍進(jìn)而提升了電池光電轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到了 40%以上。典型的高倍聚光模塊的追日系統(tǒng)精準(zhǔn)度必須小于177。的誤差，才可達(dá)到接收到近 90%的額定能源輸入。 2176。所以追日系統(tǒng)也是聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。其實(shí)現(xiàn)方式有根據(jù)天文年歷的追日系統(tǒng)和光機(jī)電一體化的追日系統(tǒng)兩種。在對(duì)于低倍聚光、對(duì)追日精度要求不高的系統(tǒng)則可應(yīng)用天文年歷，這是一種簡(jiǎn)單、易行的追日方式。其組成部件有主體框架、機(jī)械傳動(dòng)軸、傳感器、控制器、伺服電機(jī)。然后通過光敏元器件判斷模組與入射光之間是否垂直，并經(jīng)行精細(xì)的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)追日目的。 點(diǎn)聚光結(jié)構(gòu)的聚光器一般要求雙軸跟蹤 ,線聚光結(jié)構(gòu)的聚光器僅需單軸跟蹤 [10] 。 圖 單軸、雙軸跟蹤系統(tǒng)示意圖 散熱及外部設(shè)備 由于太陽(yáng)光匯聚后會(huì)在電池表面形成非常高的溫度，如果不能及時(shí)散熱，光電轉(zhuǎn)換效率會(huì)下降甚至有可能燒毀電池。散熱器分主動(dòng)式冷卻和被動(dòng)式冷卻 [11] 。太陽(yáng)電池方陣產(chǎn)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(dòng)式冷卻。被動(dòng)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(yīng)用和高聚光率產(chǎn)生的高能流密度的情況，則應(yīng)考慮使用主動(dòng)式冷卻。 被動(dòng)式散熱有很多種形式，散熱片的設(shè)計(jì)是散熱片的成本和所產(chǎn)生電量之間的折衷。 SEA公司 [15] 采用擠制鋁材的散熱片，實(shí)驗(yàn)表明，從散熱片到空氣的溫度降至少是散熱片內(nèi)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(gè)翅片和 2個(gè)組件的側(cè)邊， 3個(gè)翅片上都有突出物既加大了換熱面積，也加強(qiáng)了對(duì)空氣的擾動(dòng)增強(qiáng)了傳熱。 另外一種散熱片又叫熱擴(kuò)散片 (heat spreader)，它通常是一張薄銅板，由于銅有很好的導(dǎo)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，銅板的表面積通常與聚光器的表面積相當(dāng)。 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。逆變器將模組輸出的直流電轉(zhuǎn)變成我們所使用的交流電。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 菲涅耳透鏡聚光系統(tǒng) 在聚光光伏技術(shù)中 ，菲涅耳透鏡以其較低的成本以及輕便容易制作等有點(diǎn)成為聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的主要選擇，本章將詳細(xì)介紹菲涅耳透鏡聚光原理及二次聚光的重要性。 Fresnel 透鏡因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,便于制造 ,重量體積上更輕、更薄 ,設(shè)計(jì)上可以獲得更大的孔徑與焦距比 ,所以作為太陽(yáng)能聚光器的應(yīng)用也越來越受重視。太陽(yáng)能 Fresnel 聚光透鏡的設(shè)計(jì)主要是以透鏡的光學(xué)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(biāo) [20] 。 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(duì) 應(yīng) 入 射光譜的 折 射 率 。如 （ a）、 （ b）仿真圖所示。那么這個(gè)影響有多大呢，以下是對(duì)入射光線與主光軸偏移角為 0176。情形的光學(xué)仿真。達(dá)到透鏡表面積的光通量為 W。時(shí) 偏移角為 176。時(shí) 偏移角為 176。時(shí) 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 偏移角為 176。時(shí) 偏移角為 176。時(shí) 偏移角為 176。時(shí) 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 光線偏移角與電池表面輻照度間的關(guān)系可以用表 表 光線偏移角與電池表面輻照度間的關(guān)系對(duì)比 由此可見， 1176。這也正是聚光光伏系統(tǒng)對(duì)追日系統(tǒng)有很高的精度要求的原因。為解決這個(gè)問題下面一節(jié)將介紹二次聚光和勻光技術(shù)。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。 光杯是由四面高反射材料構(gòu)成的倒梯形裝光學(xué)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。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 （ a） 光杯實(shí)物圖 光錐則是由高透過率的光學(xué)玻璃構(gòu)成的實(shí)心倒梯形狀光學(xué)器件，如圖（ b）。 圖 （ b） 光錐實(shí)物圖 看上去光錐原理與光杯相比較大同小異，但事實(shí)上光錐的效果要好于光杯，其原因是光線在光杯內(nèi)反射時(shí)是有能量損耗的，而在光錐內(nèi)全反射沒有能量損耗。以下將對(duì)光錐的二次聚光作用做詳細(xì)的分析。 為 了 保 證 光 能 透 過率 需 要 使 光 線 在 側(cè) 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(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 由 公 式 (6)、 (7)可 確定 入 射 角 A1 和 傾 角 D 的 關(guān) 系 ， 從 而 對(duì) 全 反 射 式 二 次 聚光器的設(shè)計(jì) 提供 理 論依 據(jù) 。 而 對(duì) 于更 復(fù) 雜 的 三 維 聚 光 以 及 多 波長(zhǎng) 聚 光的 情 況 ， 則 需 要 結(jié)合 光 學(xué) 設(shè)計(jì)軟 件 的光 線追跡 來 進(jìn) 行 仿 真 設(shè)計(jì) 。例如，粘附有光杯的電池片在放置于模組時(shí)，電池片應(yīng)處在菲涅耳透鏡的焦距處。 勻光技術(shù) 光錐是 安 裝 在 菲涅 耳 透 鏡和 太陽(yáng) 電 池 之 間 起 連 接作 用的光 學(xué) 元 件 ， 上 底 面位于 菲涅 耳 透 鏡的 焦 平 面 ,下 底 面 緊貼著 太陽(yáng) 電 池 。 為 了 不 造 成光 能 量 的 浪 費(fèi) ，它 的 入 射 面 形 狀 跟 出 射 面 形 狀 一 致 ， 大 小 由 菲涅 耳 透 鏡 聚 焦 光 斑 的 大 小 和 跟 蹤 系統(tǒng)的 跟 蹤 誤 差角度 來 決 定 。 下面以一個(gè)實(shí)際仿真例子加以說明。 設(shè)計(jì) 對(duì) 應(yīng)的 菲涅 耳 透 鏡 口 徑 為 Φ =350 mm， 焦 距 f=300 mm， 對(duì) 于 360~1 800 nm 的光譜 ， 其 焦 平面 的光 斑 大 小 約 為 φ =10 mm。 經(jīng) 計(jì) 算 可 知 ， 菲涅 耳 透 鏡 聚 光后 入 射 到 二 次 聚 光器 上 底 面 的 入 射 A1=arctan 170/300 ≈ 30176。 為 了 放 寬 跟 蹤 系統(tǒng)的 跟 蹤 容 忍 度 ， 設(shè)光 線 的 偏 轉(zhuǎn) 角度 為 1176。 ≈ 5 mm， 為 了 使 偏 移 的光 斑 仍然 能 入射 到 二 次 聚 光器 上 底 面 ， 二 次 聚 光器 上 底 面 的 邊 長(zhǎng) x=Φ +2M=20 mm。由圖 （ c）可知： xy tan2HD? ≈ 32cm。 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 （ a） 二次聚光光路