太陽能聚光系統

太陽能聚光系統是指利用幾何光學特性將低熱流密度的太陽輻射能收集起來，形成高的輻射熱流密度聚光系統。太陽能熱發電被認為是發電穩定、對電網衝擊小並可實現規模發電的綠色能源利用技術，具有很好的發展前景，如何提高太陽能熱發電效率，降低發電成本是目前太陽能熱發電研究的焦點。重點闡述太陽能熱發電聚光系統的光學結構、聚光原理、聚光特性以及聚光器的設計方法和製作工藝，指出不同聚光系統的缺點和優勢。詳細介紹了聚光系統的分類，並詳細介紹了跟蹤式光伏聚光系統、免跟蹤式光伏聚光系統、拋物槽式聚光系統、碟式聚光系統、塔式聚光系統、線性菲涅爾聚光系統以及地面接收聚光系統。

基本介紹

• 中文名：太陽能聚光系統
• 外文名：solarenergyconcentrator
• 作用：提高發電效率
• 核心：聚光設計
• 領域：能源
• 學科：熱力學、光學

簡介

太陽能光伏發電系統是使陽光照射在電池片表面從而實現發電的目的,所以光伏電池是整個系統的核心。目前,己經開發出了第一代的晶體娃電池,第二代的薄膜電池以及第三代的聚光光伏發電(CPV)。其中,聚光型的光伏電池可分為單晶娃光伏電池、多晶括光伏電池和III-V族多結光伏電池。多結光伏電池的光電轉換效率非常高,達到了40%以上,但是其材料為劇毒物質,與新型清潔能源的本意相惇。所在現階段太陽能光伏發電套用的光伏電池主要還是以晶體掛材料的電池做主流。在實驗室中單晶娃電池的最高轉換效率可達24.7%廂業化電池效率為16%-20%。多晶娃材料的光伏電池片在實驗室中的光電轉換效率也高於20%,產業化的太陽電池片效率也達到15%-18%。

聚光系統分類及特點

光伏聚光器有很多分類方法:按光學原理分,有折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器等;按聚光形狀分,有點聚焦聚光器和線聚焦聚光器,前者使陽光經聚光器後在太陽電池表面形成一個焦點(或焦斑),後者是在太陽電池表面形成一條焦線(或焦帶);按聚光比分(分為幾何聚光比和光學聚光比,幾何聚光比指聚光器與電池面積的比值,光學聚光比是幾何聚光比與聚光器光學效率的乘積,如無特別說明,聚光比特指幾何聚光比),有低倍聚光器(1-100)、中倍聚光器（100-300)和高倍聚光器(300以上按跟蹤方式可分為跟蹤式與免跟蹤式。
高倍聚光因為其使用的多結光伏電池價格昂貴,但是具有非常高的光電轉換效率,因此通常配備高精度的太陽能追日系統,用跟蹤太陽方位角的變換,以實現高效率的光電轉換。如果不使用追日系統,在太陽能發電系統運行時,太陽光入射至聚光系統表面的入射角僅有輕微的誤差,也會使發電系統的發電量大幅減少,甚至損壞電池片。對低倍率光伏發電系統來說,因為使用的半導體材料特性非常的脆弱,所以只能使用低倍率聚光系統。但是對於低倍率聚光系統來說,也需使用追日系統,這對於發電系統的建設來說,無疑增加了更多的成本,而且發電站通常建設在平原沙漠地區,建設面積廣闊,且環境通常較為惡劣,使用跟蹤系統一般會存在設備維護困難,故障率高等問題,無法保證光伏發電系統的正常工作,因此國內外很多科研人員提出了免跟蹤式太陽能聚光系統。

跟蹤式光伏聚光系統

地球的運行分為公轉和自轉。要提高太陽能的利用率,就應掌握太陽的運行規律,使太陽能電池板對太陽進行實時跟蹤。太陽赤紳角則是連線太陽中心、和地球中也的線與赤道平面的夾角,用a表示。太陽赤緯度實際上代表的是太陽直射點的緯度。春分後,太陽移向北回歸線直至夏至日,赤緯度α由變化到+23.45°;夏至日後向赤道移動,直至冬至日到達南回歸線,赤紳角由+23.45°到-23.45°;冬至日後重新向赤道移動。故太陽赤紳角隨時間的變化而逐漸變化,且赤緯角的大小與所在地無關,只與時間有關。

跟蹤式聚光器又稱為"向日葵"式,由於聚光設計時採用固定的太陽入射角作為標磚,所以採用追日系統,能夠使太陽能接收器時時跟蹤太陽的方位角變化。從上世紀的彈黃儲能跟蹤裝置到現在的計算機和天文時間器精確控制,控制精度隨著科技的進步不斷提高。通過追日系統的控制,不斷調整16塊聚光鏡的位置,通過反射方式是太陽能匯聚在電池片表面。

免跟蹤式光伏聚光系統

免跟蹤式聚光系統,是通過對聚光系統的設計,改變入射至聚光系統的光路發生改變,從而實現太陽光從各個入射角都能入射至電池片表面的目的。面跟蹤聚光器從聚光方式上可分為折射式和反射式兩大類。為了使太陽光更好地聚集在接收器上,折射式聚光器一般採用凸透鏡或菲涅耳透鏡來進行聚光。要求免跟蹤聚光器要在一定範圍內能夠承受太陽方位角變換,以折射各個角度的太陽光,使各個入射光線可以成功入射在太陽能接收器表面。


陝西科技大學的寧鋒,劉飛航以設計的免跟蹤透射式太陽聚光器,將菲涅耳透鏡以陣列守式沿太陽光入射方向排布,也就是說每一個太陽光入射方向都有一塊聚光鏡,從而實現免跟蹤的目的。因此,每一個方向入射的太陽光,都通過特定的聚光鏡折射至電池片表面,但是在有限的空間密集排列聚光鏡,使毎一塊聚光鏡的製作的很小,這直接降低了聚光系統在每一個太陽光入射方向的聚光倍率。

反射式聚光器則是通過拼接一些反射模組,使入射的太陽光經過一次或多次的連續反射,福照在太陽能電池片。上世紀70年代初出現了一種受關注的反射式聚光器,該聚光器為複合拋物面聚光鏡 (CompoundParabolicConcentrator),通過兩個槽型的拋物面反射鏡。聚光,雖然不需要跟蹤裝畳,但其聚光能力較差。但是該裝置引起的廣泛關注引起了人們對免跟蹤聚光系統的興趣,此後陸續有人建立了不同的免跟蹤反射型聚光模型。日本夏普株式
會社設計的低聚光免跟蹤反射型聚光器,,其聚光器結構是扁平型,採用平面鏡與曲面鏡的組合形式,在入射角小於等於90°時,通過在聚光系統上表面塗覆一層反射塗層,形成半透半反的原件,太陽入射光經過一次或多次反射至珪材料電池片接收器上。當入射角大於90°時,通過一次旋轉聚光系統,即現同樣的功能,因此該設計在一定程度上可以接受陽光方位角的偏移,聚光效率2.875倍。

拋物槽式聚光系統

拋物槽式聚光系統由拋物柱面聚光鏡和真空吸熱管組成。拋物柱面聚光鏡利用拋物面對平行光的理想會聚特性將太陽直射光會聚於焦線處的吸熱管上。聚光鏡呈水平放置，可繞單軸旋轉跟蹤太陽。旋轉軸沿南北方向，並與吸熱管平行。在聚光鏡跟蹤太陽的過程中，太陽直射光方向始終平行於旋轉軸與吸熱管所在的平面，保證系統具有最好的聚光特性。

拋物槽式聚光系統的光學結構簡單，需要設計的幾何參數包括聚光鏡口徑、焦距、邊緣角等，在設計中需要考慮的性能參數包括聚光比、光斑溢出損失等。槽式聚光鏡經過了幾代的發展，其口徑、焦距、邊緣角等參數不斷加

利用光學設計軟體如 Zemax等可對拋物槽式聚光系統進行建模，並藉助Matlab對聚光系統進行蒙特卡羅光線追跡，分析聚光系統的光學性能，最終確定聚光結構。拋物槽式聚光系統的關鍵工藝在於真空集熱管和拋物柱面反光鏡的加工。真空集熱管由玻璃外管、不鏽鋼內管及表面選擇性吸收塗層、內外管間高度真空環形空間、內管內插固體阻塞件以及絕熱端等部分組成，其關鍵技術包括能耐 以上高溫、高效率吸熱塗層材料且在高溫下不脫落、長壽命真空度、玻璃/金屬間的有效銜接等。拋物柱面反光鏡的製作工藝較真空集熱管簡單，關鍵技術在於鏡面面形的高精度。目前多採用4mm厚的熱彎玻璃並在背面鍍銀反射膜及多層保護膜，也可採用在基底材料上貼上薄玻璃反射鏡或高反射耐候性薄膜。

碟式聚光系統

碟式聚光發電系統可分為單碟式和多碟式兩種。單碟式聚光系統由單個旋轉拋物面反光鏡和斯特林發動機組成。多碟式聚光系統由多個尺寸較小的碟形反光鏡和斯特林發動機組成。

碟式聚光鏡利用旋轉拋物面對平行光的理想會聚特性將太陽光會聚於焦點處的斯特林發電機上。聚光鏡可繞雙軸旋轉實現對太陽的三維跟蹤，始終使陽光的入射方向與聚光鏡的光軸方向一致，保證聚光鏡有最好的聚光性能。多碟式聚光鏡與單碟式的聚光原理一致，聚光性能相近，多碟式聚光鏡用多個尺寸較小的碟形反光鏡代替單個大尺寸拋物面鏡，降低了聚光鏡的加工難度。

碟式聚光系統的光學結構簡單，設計方法與槽式聚光系統相似。碟式聚光系統的關鍵技術在於斯特林發動機和旋轉拋物面反光鏡的加工。斯特林發動機是一種外燃( 或外部加熱) 封閉循環活塞式發動機，其對燃燒方式或外燃系統的特性無特殊要求，只要外燃溫度高於閉式循環中的工質溫度即可。近年來，美國、日本、德國等對斯特林發動機進行了研究，並已具備生產能力，如西班牙的Eurodish。 碟式聚光發電系統採用了德國SOLO 公司生產的斯特林發動機。拋物面反光鏡的製作關鍵在於面形精度的控制。製作方法主要有兩種，一種是採用小尺寸的曲面鏡進行拼接，另一種是在基底材料上貼上薄的鍍銀玻璃反射鏡或高反射耐候性薄膜。碟式聚光系統的聚光比較高，可超過1000x，工作溫度達700℃，採用斯特林發動機，最高光電轉化效率可達24%。碟式聚光發電系統單台最大裝機容量約為 25KW:，可單獨供電，也可多台併網發電，無需用水，適合在沙漠地區使用。由於聚光鏡、驅動裝置以及斯特林發動機等關鍵元件的製造成本較高，導致碟式聚光系統的投資成本較高，為了實現商業化，還需進一步降低碟式聚光發電的成本。

塔式聚光系統

塔式聚光系統可分為單塔式和多塔式聚光陣列，單塔式聚光系統由鏡場、單塔和塔頂吸熱器組成，如圖 以 所示。

鏡場將低密度的太陽輻射會聚於塔頂吸熱器，再由吸熱器將高密度能流轉化為熱能並通過傳熱工質傳輸到地面進行發電。鏡場由定日鏡布置而成，定日鏡繞雙軸旋轉實現對太陽的三維跟蹤，並將陽光反射到塔頂吸熱器上。定日鏡的聚光性能決定了鏡場光斑的質量。定日鏡的面形有平面和曲面兩種，平面定日鏡加工裝調簡單，成本低，由於對光線無會聚作用，定日鏡尺寸一般較小，以保證較小的鏡場光斑。曲面定日鏡加工裝調較困難，成本高，但聚光性能較好，定日鏡可以做得很大。

單塔式聚光系統的規模受到塔高以及定日鏡跟蹤精度的限制，電站的規模不能無限大。為了實現更大規模的塔式太陽能發電，提出了多塔式太陽聚光陣列結構，如圖 ] 所示。多塔式鏡場聚光陣列由定日鏡場和多個裝有吸熱器的塔組成，各塔之間距離較近以至於不同塔的定日鏡場部分重疊，傳熱工質通過吸熱器加熱到高溫以後匯聚起，實現規模化發電。隨著太陽的運動，定日鏡場一些區域的光學效率不斷變化，為了獲得最大的鏡場光學效率，可有選擇地控制定日鏡場的一些區域將太陽輻射投射到不同塔上的吸熱器上，有效減少了入射餘弦損失和定日鏡間的陰影擋光損失，並提高了土地使用率。塔式聚光系統的光學結構比較複雜，在設計中需要考慮定日鏡和鏡場兩部分。定日鏡在聚光過程中陽光的入射角變化範圍較大，球面或其它旋轉曲面存在較大的像散，致使定日鏡的光斑較大，不利於吸熱器的接收。採用可校正像散的輪胎面聚光鏡可減小光斑的變化，提高聚光性能，但缺點是加工裝調比較困難，製作工藝還需驗證。鏡場設計是通過最佳化鏡場的結構參數，設計出成本低、年聚光效率高的鏡場布置，設計過程比較複雜，需要編制專用的設計軟體。鏡場的結構參數包括地理緯度、定日鏡尺寸及數量、定日鏡的布置方式及間距、吸熱器位置及傾斜角度等，需要在設計中考慮的性能參數包括鏡場的餘弦效率、相鄰定日鏡間的陰影擋光損失、大氣對會聚光束的吸收散射損失、光斑在吸熱器上的溢出損失等。

線性菲涅耳聚光系統

線性菲涅耳聚光系統由主、次聚光鏡和吸熱管組成，它是由拋物槽式聚光系統演化而來的。

菲涅耳聚光系統的主聚光鏡由一系列可繞水平軸旋轉的條形平面反射鏡組成，可跟蹤太陽並將陽光會聚於鏡場上方的吸熱管上。為了提高聚光比，在吸熱管的上方需增加次聚光鏡，進行二次聚光，次聚光鏡的面形為二維複合拋物面(CPC)，CPC 是一種理想的非成像聚光器，聚光性能可達到最優。

菲涅耳聚光的另一種改進形式是密集型線性菲涅耳聚光，它具有兩個或多個吸熱管，在工作過程中，相鄰的條形反射鏡可瞄準不同的吸熱管進行聚光，這樣可以減少反射鏡間的陰影擋光損失及鏡場占地面積。菲涅耳式聚光系統採用二次聚光方式，光學結構比較複雜，需要設計的參數包括條形反射鏡的尺寸及間距、主聚光鏡場的口徑及邊緣角、吸熱管的高度、次聚光鏡的口徑及接收角等，需要在設計中考慮的性能參數包括陰影擋光損失、聚光比、光斑溢出損失以及主、次聚光鏡的匹配等。菲涅耳聚光系統主聚光鏡為一系列離散的條形反射鏡，且不同時刻反射鏡的法線方向不同，次聚光鏡為 CPC非成像聚光鏡，利用傳統光學設計軟體很難對菲涅耳聚光系統進行實時模擬和分析，可使用 Matlab進行編程，並採用蒙特卡羅光線追跡法對聚光系統進行建模和分析，最終確定聚光系統的光學參數。
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地面接收聚光系統

地面接收聚光系統由聚光鏡場、塔頂反射鏡和地面接收器組成，它是由塔式聚光系統演化而來的。

地面接收聚光系統的鏡場與塔式聚光系統相同，由一系列雙軸跟蹤的定日鏡布置而成。塔頂反射鏡採用雙曲面設計，與鏡場構成卡賽格林系統，將鏡場會聚而來的光線反射會聚到地面接收器。由於地面接收聚光系統的焦距較長，受太陽發散角、鏡面面形誤差及定日鏡跟蹤誤差的影響較大，地面接收光斑的尺寸較塔式聚光系統大，聚光比較低。為了提高聚光比，需要增加三維複合拋物面聚光器( CPC) 進行 X 次聚光。地面接收聚光系統光學結構更為複雜，需要設計的參數包括定日鏡的幾何參數、鏡場的布置結構、塔頂反射鏡的面形、尺寸及焦距、三維CPC 聚光器的口徑、接收角及高度等參數，需要在設計中考慮的性能參數包括鏡場的聚光效率、地面接收聚光系統的溢出損失、光斑的聚光比以及鏡場與塔頂反射鏡的匹配等。目前，地面接收聚光系統採用的設計方法是: 首先利用鏡場設計軟體設計鏡場結構，然後根據鏡場的聚光特性設計塔頂反射鏡，，最後使用 Matlab工具對地面接收聚光系統進行建模，並採用蒙特卡羅光線追跡法對聚光系統進行分析，最終確定聚光系統的光學參數。地面接收聚光系統的加工工藝關鍵在於塔頂射鏡和三維CPC聚光鏡的製作，目前的加工方法是採用小尺寸的平面反射鏡進行拼接，這樣做的缺點是面形精度較低且縫隙損失較大。地面接收聚光系統採用多次反射聚光，增加了反射損失，降低了聚光比，但吸熱器放置在地面上，減少了熱損耗，降低了建塔成本，因此具有一定的優勢。近年來，以色列、日本等國對地面接收聚光技術進行了理論及實驗研究，其商業化可行性還有待進一步驗證。