CN115603657B - 非追踪低倍率聚光太阳能发电装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置及设计方法，其太阳能发电装置包括接收装置、聚光装置和支撑装置，接收装置包括第一吸热板、第二吸热板和太阳能电池板，它们的底面配合形成接收平面；聚光装置包括平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜，圆弧反射镜的一端连于接收平面的远日端，另一端连于抛物反射镜，圆弧反射镜以接收平面的近日端为弧心，抛物反射镜以接收平面的近日端为焦点；平板线聚焦菲涅尔透镜作为光线入口，抛物反射镜和圆弧反射镜依次将经过平板线聚焦菲涅尔透镜的光线反射至接收装置；支撑装置用于调节聚光装置的姿态。本申请具有减少电池表面热应力导致太阳能电池损坏的风险，同时制造成本低，光电转化效率高。

Description

非追踪低倍率聚光太阳能发电装置及设计方法

技术领域

本申请涉及太阳能应用领域，尤其是涉及一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置及设计方法。

背景技术

由于人类社会工业化快速发展的巨大能源需求所引起的能源短缺和环境污染问题日益严峻，节约能源、提高能源效率、开发可再生能源日渐被各国所重视，在所有的可再生能源中，太阳能是资源最为丰富的一种，并可直接或间接地利用。当下太阳能资源的主要利用方式为太阳能光伏发电和太阳能热利用，如何高效的利用太阳能一直以来都是研究的重点。

传统光伏电池表面光照密度小，空间利用率低，限制了光伏产业的发展。改善光伏电池发电的一种简单方法是通过反射镜将大面积的阳光集中到光伏的较小接收器区域。目前聚光装置主要分为追踪式和非追踪式两大类，追踪式以菲涅尔式聚光为主，平板线聚焦菲涅尔透镜保留了透镜的曲率，聚焦性能不变。根据聚焦的形式可分为点聚焦和线聚焦，点聚焦接收体可为一个太阳电池芯片，线聚焦接收体是太阳电池所组成的光伏阵列，两种聚焦方式均可实现高倍聚光发电，制造成本低廉具有众多优势，但由于聚光分布不均匀，入射太阳光经聚光之后在电池表面形成局部热点，局部热点的存在一方面会降低电池转换效率，另一方面会损伤电池，缩短电池使用寿命。

非跟踪式主要以复合式抛物面聚光器(CPC，Compound Parabolic Concentrator)为代表，复合式抛物面聚光器是一种根据边缘光学原理设计的二元非成像聚光装置，入射光线经抛物面几次反射后到达接收表面，在最大接收半角内可对有一定角度的光线进行有效收集，最大限度的利用太阳能资源。与追踪式聚光相比，复合式抛物面聚光器可收集到更多光线，并且无需配备昂贵的太阳跟踪装置，结构简单，便于加工制造。但是该类型聚光装置的缺点也比较明显。聚光装置沿东西或南北方向布置时，受太阳高度角和方位角的影响，复合式抛物面聚光器的接收表面会出现非均匀的能流分布，甚至会出现阴影区域，将影响装置的光学性能。即使阴影区域很小，也会对光伏模块产生严重影响，阴影区域的出现会在衔接处出现一个明显的热应力，硅电池将会受热而产生裂痕。

发明内容

为了减少传统聚光光伏电池表面热应力的产生，以及提高太阳能的综合利用效率，降低成本，本申请提供一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置及设计方法。

第一方面，本申请提供的一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置，采用如下的技术方案：

一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置，包括：

接收装置，包括依次设置于同一平面上的第一吸热板、太阳能电池板和第二吸热板，所述第一吸热板、所述太阳能电池板和所述第二吸热板的底面配合形成接收平面，所述接收平面朝向太阳运行轨迹倾斜形成近日端和远日端；

聚光装置，包括平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜，所述圆弧反射镜的一端连于所述接收平面的远日端，另一端连于所述抛物反射镜，所述圆弧反射镜以所述接收平面的近日端为弧心，所述抛物反射镜以所述接收平面的近日端为焦点；所述平板线聚焦菲涅尔透镜作为光线入口，所述抛物反射镜和圆弧反射镜依次将经过平板线聚焦菲涅尔透镜的光线反射至接收装置；

支撑装置，所述支撑装置用于固定接收装置的远日端的高度，并上下调节抛物反射镜远离远日端的一端的高度。

通过采用上述技术方案，太阳光线首先到达平板线聚焦菲涅尔透镜表面，绝大部分的太阳光线会经过折射汇聚到抛物反射镜和圆弧反射镜上，有一小部分被平板线聚焦菲涅尔透镜吸收和反射。到达抛物反射镜和圆弧反射镜上的太阳光线会再一次被反射到接收平面，在这个过程中，由于抛物反射镜和圆弧反射镜为非理想反射面，因此也会有一小部分太阳光线被吸收耗散掉。到达太阳能电池板表面的太阳光线会被以一定的吸收率被太阳能电池板吸收，其中占太阳光谱总量66％的晶硅电池相应波段(422.4～893.3nm)用来发电，而另两个热波段(250～422.4nm和893.3～2500nm)则被晶硅电池吸收，使晶硅电池的温度升高。接收表面两侧的第一吸热板、第二吸热板同样也会以一定的吸收率对反射光线进行吸收，吸热板吸收热量后温度升高。

在一天的不同时分，太阳的方位角将会不断发生变化，在清晨时分，太阳的方位角较小，在太阳能电池的朝向太阳升起的一侧产生阴影区域，因此在太阳能电池板上产生的阴影区域与光照区域之间的热应力较高。随着时间向正午时分推移，太阳的方位角逐渐变大，太阳能电池板上的阴影区域逐渐收窄，且热应力逐渐减小。对热应力设定一个阈值，以该阈值设定阴影的边界，以该边界为吸热板和太阳能电池板之间的边界。当太阳方位角小于一定限度时，太阳的阴影收缩到吸热板上，从而避免了太阳能电池板上热应力的产生。直至正午时分，太阳光线近乎垂直入射到聚光器中，接收平面不存在阴影区域。同理由于太阳运行角度在上午和下午基本对称，由于太阳方位角的变化将会在另一块吸热板上出现阴影区域，且变化情况与上午相反。

一年中由于太阳在南回归线和北回归线之间移动，为保证聚光装置具有更好的光学性能，因此可以利用支撑装置对平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜的姿态进行调整，以适应不同月份的太阳高度角，从而使得接收到的能流密度尽可能地高，从而提高了发电效率。

可选的，沿水平方向设置正交的X轴和Z轴，以竖直方向为Y轴，构建空间笛卡尔坐标系；所述抛物反射镜所形成的抛物表面沿Z轴延伸设置，所述圆弧反射镜所形成的圆弧表面沿Z轴延伸设置，且以抛物表面与圆弧表面在X-Y平面上的交点作为该空间笛卡尔坐标系的原点；

抛物表面在X-Y平面上的方程为：

圆弧表面在X-Y平面上的方程为：

其中，a为接收装置的截面宽度，θa为聚光装置对应的CPC的最大接收半角，θ、t均为中间变量。

可选的，当t＝0时聚光比为1，当t＝2.24a时聚光比为2，当t＝3.44a时聚光比为3，当t＝4.50a时聚光比为4。

可选的，还包括有冷却装置，所述冷却装置包括蛇形冷却管，所述蛇形冷却管设置于第一吸热板和第二吸热板以及太阳能电池背向圆弧反射镜的一面。

可选的，所述第一吸热板、第二吸热板、太阳能电池板、平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜围合形成空气冷却通道，所述空气冷却通道用于自然对流换热或强制对流换热。

通过采用上述技术方案，热能主要通过两种形式进行回收利用。第一种：组件在寒冷季节运行时，考虑到夜间环境温度低，蛇形冷却管中的换热液可能会凝固导致设备的损坏。因此在该季节采用空气冷却通道进行降温和热收集，第一吸热板、第二吸热板和太阳能电池板的热能通过吸热板内表面和玻璃盖板上表面与空气冷却通道内的空气进行换热。第二种：组件在炎热季节运行时，由于太阳辐照和环境温度较高，通过单一的空气冷却通道降温集热的效果不佳，此时需要通过蛇形冷却管和空气冷却通道来回收热能。

可选的，所述太阳能电池板包括自上而下依次设置的玻璃盖板、EVA、晶体硅以及基板。

可选的，所述第一吸热板和第二吸热板的厚度适配于太阳能电池板的厚度。

通过采用上述技术方案，到达太阳能电池板表面的太阳光线绝大部分会透过玻璃盖板，但仍有一小部分被盖板反射及吸收耗散掉；穿过玻璃盖板的太阳光线同样会透过EVA，在EVA层会有极小一部分太阳光线被吸收耗散掉。最终到达晶硅电池表面，晶硅电池会以一定的吸收率被太阳能电池板吸收，其中占太阳光谱总量66％的晶硅电池相应波段(422.4～893.3nm)用来发电，而另两个热波段(250～422.4nm和893.3～2500nm)则被晶硅电池吸收，使晶硅电池的温度升高。

可选的，所述支撑装置包括有安装于接收装置远日端的固定支架和安装于抛物反射镜远离远日端的一端的活动支架，所述固定支架与接收装置通过旋转铰链相连，所述活动支架与接收装置通过旋转铰链相连。

可选的，所述接收平面与水平面的夹角基于所处的日期区间设定。

可选的，所述第一吸热板和第二吸热板的长度基于所处的地球经度和纬度设定。

通过采用上述技术方案，聚光装置与固定支架通过旋转铰链连接可以实现聚光装置绕轴旋转，改变伸缩杆的长度来实现组件安装角度的调整。

第二方面，本申请提供的一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置设计方法，采用如下的技术方案：

一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置设计方法，包括以下步骤：

设置接收平面，其中接收平面由依次设置的第一吸热板、第二吸热板和太阳能电池板的底面形成；

设定接收平面的宽度，以作为截面宽度；

基于所处的地球经度和纬度设定第一吸热板和第二吸热板的长度；

基于所处的日期区间调整接收平面与水平面的夹角，以作为安装角度；

设定聚光比；

基于聚光比和截面宽度设置聚光装置，其中，聚光装置包括平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜，圆弧反射镜的一端连于接收平面的远日端，另一端连于抛物反射镜，圆弧反射镜以接收平面的近日端为弧心，抛物反射镜以接收平面的近日端为焦点；

基于聚光比调整平板线聚焦菲涅尔透镜的聚光焦距，以及平板线聚焦菲涅尔透镜的安装位置；其中，平板线聚焦菲涅尔透镜的一端连于接收平面的近日端；

以平板线聚焦菲涅尔透镜的平面作为光线入口。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1、本发明以三角型CPC为基础，通过对CPC反射面进行合理的截取后与固定装置、接收装置和冷却装置相结合组成新的聚光组件。该组件兼顾了光学效率和太阳能电池表面能流分布的均匀性，光线接收范围较大，组件在一年中的调整次数少，可以与建筑物相结合实现太阳能的高效利用。

2、与现有的双抛物面CPC相比，所设计的非追踪低倍率聚光太阳能组件采用单侧非对称聚光结构，减少了材料的消耗，并通过将平板线聚焦菲涅尔透镜加入组件中，进一步增大了光线的接收范围，组件的光线接收角度趋近于0°～90°，较大的光线接收范围使得该组件的安装角度每年只需要调整四次，聚光组件操作简单运行成本较低。同时在平板线聚焦菲涅尔透镜折射和复合反射面反射的作用下，进一步提高了太阳能电池表面能流分布的均匀性，综合考虑了聚光效率和聚光均匀性。

3、一些固定式聚光装置设计之初对于太阳角度的考虑不够全面，因此在设计本聚光装置时考虑了太阳高度角和太阳方位角对聚光组件的影响，通过在太阳能电池的两端加入吸热板来缓解因太阳角度变化而导致的末端损失，这相较于通过增加聚光面的长度来减少太阳角度变化带来的影响，而本聚光装置中吸热板的加入既吸收了接收表面两端不均匀的热流，减少能量损失，又保证了太阳能电池表面不出现阴影区域，使得聚光电池稳定运行5小时。

4、玻璃盖板上表面、平板线聚焦菲涅尔透镜内表面以及两侧吸热板的内表面均与组件内部的空气进行换热，吸热后的空气可用来供暖。除此之外，蛇形冷却管设置于第一吸热板和第二吸热板的背面、以及太阳能电池背向圆弧反射镜的一面，在降低电池工作温度的同时也能收集热能。

5、采用单侧聚光，结构尺寸可调，拓宽了本发明的应用范围，可根据地区和聚光要求的不同，选择合适的带有平板线聚焦菲涅尔透镜和吸热板的非追踪聚光组件。

附图说明

图1是本申请实施例中一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置的整体示意图；

图2是本申请实施例中一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置在X-Y平面的截面图；

图3是本申请实施例中太阳能电池板的层结构示意图；

图4是本申请实施例中蛇形冷却管在接收装置背面的布置示意图；

图5是本申请实施例中关于CPC光学进行模拟和本非追踪低倍率聚光太阳能发电装置进行光学模拟得到的在不同时间点的电池热效果图；

图6是本申请实施例中关于CPC光学进行模拟和本非追踪低倍率聚光太阳能发电装置进行光学模拟得到的在不同时间点的电池平均温度示意图；

图7是本申请实施例中关于CPC光学进行模拟和本非追踪低倍率聚光太阳能发电装置进行光学模拟得到的在不同时间点的电池表面温度分布均匀性示意图。

图8是本申请实施例中一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置设计方法的流程示意图。

附图标记说明：

1、平板线聚焦菲涅尔透镜；

2、抛物反射镜；

3、固定支架；

4、圆弧反射镜；

5、旋转铰链；

6、第一吸热板；

7、第二吸热板；

8、活动支架；

9、太阳能电池板；901、玻璃盖板；902、EVA；903、晶体硅；904、基板；

10、蛇形冷却管；

11、空气冷却通道；

12、蛇形冷却通道换热液入口；

13、蛇形冷却通道换热液出口。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在以下描述中，为了解释的目的，阐述了很多具体细节，以便提供对发明构思的彻底理解。作为本说明书的一部分，本公开的附图中的一些附图以框图形式表示结构和设备，以避免使所公开的原理复杂难懂。为了清晰起见，实际具体实施的并非所有特征都有必要进行描述。此外，本公开中所使用的语言已主要被选择用于可读性和指导性目的，并且可能没有被选择为划定或限定本发明的主题，从而诉诸于所必需的权利要求以确定此类发明主题。在本公开中对“一个具体实施”或“具体实施”的提及意指结合该具体实施所述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个具体实施中，并且对“一个具体实施”或“具体实施”的多个提及不应被理解为必然地全部是指同一具体实施。

除非明确限定，否则术语“一个”、“一种”和“该”并非旨在指代单数实体，而是包括其特定示例可以被用于举例说明的一般性类别。因此，术语“一个”或“一种”的使用可以意指至少一个的任意数目，包括“一个”、“一个或多个”、“至少一个”和“一个或不止一个”。术语“或”意指可选项中的任意者以及可选项的任何组合，包括所有可选项，除非可选项被明确指示是相互排斥的。短语“中的至少一者”在与项目列表组合时是指列表中的单个项目或列表中项目的任何组合。所述短语并不要求所列项目的全部，除非明确如此限定。

本申请实施例公开一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置。参照图1，该太阳能发电装置包括接收装置、聚光装置、支撑装置和冷却装置。支撑装置用于对接收装置和聚光装置进行固定支撑，聚光装置用于会聚和反射太阳光到接收装置上，接收装置用于接收会聚的光能，在聚光过程中，太阳能电池通过光生电子将晶硅电池相应波段的能量转化为电能，其他波段的能量则转化为热能。冷却装置用于带走接收装置上的热能，以使得接收装置工作在合适的温度区间。

为了减少热应力的产生，参照图1和图2，接收装置包括依次设置于同一平面上的第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7，第一吸热板6和第二吸热板7位于太阳能电池板9的两侧，用于与聚光装置在不同时间点聚光所产生的阴影区域相对应，太阳能电池板9用于将太阳光中相应波段的能量转化为电能。

第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7均采用板状设计。当然，在不同的实施例中，第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7也可以采用带有一定弧度的弧面状、波浪状或其它异形，但凡是上下表面是连续均匀、在一个方向上延伸、不会因为明显起伏而在反射光下产生阴影的形状即可。对于板状的第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7，第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7的底面配合形成接收平面。对于其它异形的第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7，则在延伸方向上形成接收平面。作为示例的，在本实施例中，参照图3，第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7为三块方板，这三块的宽度相同、厚度相同且底面均设置在同一平面上，从而拼接成一块完整的大方板。

需要注意的是，在数学上，平面(plane)是一种基本的二维对象，直观地讲，它可以视为一张平坦的拥有无穷大面积的没有厚度的纸。但是本方案中所指的接收平面，为一个面积有限且形状固定的面，具体的，参照图4，太阳能电池板9包括自上而下依次设置的玻璃盖板901、EVA902、晶体硅903以及基板904。玻璃基板904用于对太阳能电池板9内部起到保护作用，EVA902减少玻璃基板904的对阳光的反射以及对晶体硅903进行密封，晶体硅903用于通过光电转化将太阳光中相应波段的能量转化为电能。

需要注意的是，本非追踪低倍率聚光太阳能发电装置在安装完成后，接收平面有多个自由度，包括长度、宽度、高度、水平朝向、仰角和左右倾角需要确定。接收装置、聚光装置内各部件的参数实际上相互影响，但是接收平面在某一个或几个参数确定后，其余的参数即可相应确定。在这里为了方便进行示例，以接收平面的宽度为初始参数，并称之为截面宽度。

为了提高接收平面上获得太阳光的能流密度，通常会将接收平面尽可能地朝向正午时分的太阳。因此，接收平面的水平朝向为朝向太阳扫过的轨迹到地面形成的竖直平面，即朝着正南设置或者朝着正北设置。在本实施例中，以接收平面更靠近该竖直平面的一端为近日端，以远离该竖直平面的一端为远日端。

同样的，为了提高接收平面上获得太阳光的能流密度，接收平面的长度方向沿水平方向延伸，即没有左右倾角。

一年四季中，在不同的日期，太阳的高度角和方位角通常不同。方位角是球坐标系中的角测量。从观测者到感兴趣点的向量投影正交到基准面；投影向量与基准面上参考向量之间的角度称为方位角。当用在天体坐标时，方位角是在天空中的恒星或天体在地平线上的方向。恒星是观测者感兴趣的点，参考平面是环绕着观测者所在地区的地球表面，参考向量指向真正的北方。太阳高度角是指某地的太阳光线与当地地平面的所交的最小线面角，这是以太阳视盘面的几何中心和理想地平线所夹的角度。一年中由于太阳在南回归线和北回归线之间移动，因此任意相邻两天正午的太阳高度角有所差别，因此可以利用支撑装置对接收平面的仰角进行调整，以作为安装角度。由于每一天正午太阳高度角的差别并不明显，可以将一年划分为多个日期区间，支撑装置基于所处的日期区间和所处的纬度来调整接收平面与水平面的夹角。经纬度是经度与纬度组成的坐标系统，是一种利用三度空间的球面来定义地球上的空间的球面坐标系统，能够标示地球上的任何一个位置。

以安装在上海浦东地区为例，上海浦东地区位于东经120°52'，北纬30°40'。将聚光比为2的聚光组件东西水平布置在该地区建筑物的屋顶或南墙上，在确定接收平面的截面宽度后可根据该地区的经纬度以及对应的月份调整支撑装置，来调整聚光组件的安装角度。其中聚光组件在该地区不同月份的安装角度如表1所示：

表1

接收平面的长度由第一吸热板6、太阳能电池板9和第二吸热板7各自的长度所决定，其中太阳能电池板9的长度并无限制，而第一吸热板6和第二吸热板7的最短长度与所处的纬度位置相关。具体的，第一吸热板6和第二吸热板7的最短长度基于当地夏至日和冬至日时太阳光线入射到聚光器接收表面的最大阴影区域长度设计得到。另外，在一天的不同时分，太阳的方位角将会不断发生变化。在清晨时分，太阳的方位角较小，在太阳能电池的近日端一侧产生阴影区域，因此在太阳能电池板9上产生的阴影区域与光照区域之间的热应力较高。随着时间向正午时分推移，太阳能电池板9上的阴影区域逐渐收窄，且热应力逐渐降低。对热应力设定一个阈值，以该阈值设定阴影的边界，以该边界为吸热板和太阳能电池板9之间的边界。当太阳方位角小于一定限度时，太阳的阴影在吸热板上收缩直至到达边界，从而避免了太阳能电池板9上热应力的产生。直至正午时分，太阳光线近乎垂直入射到聚光装置中，接收平面不存在阴影区域。同理由于太阳运行角度在上午和下午基本对称，由于太阳方位角的变化将会在另一块吸热板上出现阴影区域，且变化情况与上午相反。实际操作中，可以在一天中定义一时间区间，该时间区间对于日高点对应的时间点对称。该时间区间的端点对应的阴影边界即对应于上述的热应力阈值。

在不同的实施例中，该时间区间能够有所不同，其受到当地的平均光照强度等因素的影响，作为示例的，继续承接上述浦东地区的例子，该时间区间选取上午九点半到下午两点半。在该示例中，9:30时太阳的方位角较小，太阳光线倾斜照射到聚光装置，聚光装置倾斜反射到接收平面上，也就是说，聚光装置存在末端损失，此时第二吸热板7会出现阴影区域，第一吸热板6和太阳能电池则均为有光区域。上午11点到12点，随着太阳向正南方向移动，太阳的方位角逐渐增大，第二吸热板7上的阴影面积逐渐减小，到12点时沿方位角方向的光线近乎垂直入射到聚光装置中，接收平面不存在阴影区域。同理由于太阳角度在上午和下午基本对称，从12点到14:30时，由于太阳方位角的变化将会在第一吸热板6上出现阴影区域，并且发现从14:00点到14:30，方位角变化7.5°，本聚光装置的光学效率减小了2.35％，方位角的变化对本聚光装置的影响较小。在这5个小时中，本聚光装置的平均光学效率和太阳能电池表面能流分布的均匀性分别为0.77和0.75，兼顾了聚光效率和聚光的均匀性。

另外，聚光装置尺寸的确定方法在下文阐述。因此由于以接收平面的宽度为初始参数，并基于所处的维度位置作为参考，则第一吸热板6和第二吸热板7的最短长度可以确定，即接收平面的长度相应可以确定。

聚光装置包括平板线聚焦菲涅尔透镜1、抛物反射镜2和圆弧反射镜4，圆弧反射镜4的一端连于接收平面的远日端，另一端连于抛物反射镜2，圆弧反射镜4以接收平面的近日端为弧心，抛物反射镜2以接收平面的近日端为焦点；平板线聚焦菲涅尔透镜1作为光线入口，抛物反射镜2和圆弧反射镜4依次将经过平板线聚焦菲涅尔透镜1的光线反射至接收装置。

具体的，沿水平方向设置正交的X轴和Z轴，以竖直方向为Y轴，构建空间笛卡尔坐标系；所述抛物反射镜2所形成的抛物表面沿Z轴延伸设置，所述圆弧反射镜4所形成的圆弧表面沿Z轴延伸设置，且以抛物表面与圆弧表面在X-Y平面上的交点作为该空间笛卡尔坐标系的原点。

抛物表面在X-Y平面上的方程为：

圆弧表面在X-Y平面上的方程为：

其中，a为接收装置的截面宽度，θa为聚光装置对应的CPC的最大接收半角，θ、t均为中间变量。

需要说明的是，参照图2，该抛物表面和圆弧表面所形成复合反射面是通过三角型CPC旋转截取而来的。比如，当三角型CPC的聚光比为2时，则对应的最大接收半角为30°。在上述方程中，当t＝0时对应聚光比为1，当t＝2.24a时对应聚光比为2，当t＝3.44a时对应聚光比为3，当t＝4.50a时对应聚光比为4。

在图2中，虽然示意出了三个平板线聚焦菲涅尔透镜1，但是仅用于示意不同聚光比下平板线聚焦菲涅尔透镜1的安装位置，这是因为聚光装置中平板线聚焦菲涅尔透镜1对应于不同聚光比具有不同的摆放位置，因此实际上聚光装置内通常只设置一个平板线聚焦菲涅尔透镜1，但是平板线聚焦菲涅尔透镜1的数量并不对本申请实施例产生限定。不同聚光比将会对应不同的聚光装置开口尺寸，开口处的倾角也会变化，作为开口处的平板线聚焦菲涅尔透镜1的位置也就会对应不同的位置。平板线聚焦菲涅尔透镜1与不同几何聚光比的复合反射面组合时，会对光学性能产生不同的影响，同时由于焦距的不同会带来不同的光学损失，损失主要包括入射界面和出射界面的反射损失、材料的吸收损失、工艺性损失和结构损失等。而影响焦距的一个重要因素即平板线聚焦菲涅尔透镜1上斜面的倾角，因此需要通过调整斜面的倾角得到一个最佳焦距的透镜与复合反射面结合，使得聚光装置兼顾光学效率和聚光表面的均匀性。为此需要基于MCRT(蒙特卡洛射线追踪法)对带有平板线聚焦菲涅尔透镜1和吸热板的非追踪低倍率聚光太阳能组件进行光学模拟，并通过IEC60904-9国际标准来对接收表面的热流密度分布的均匀性进行评价，从而选出最优的平板线聚焦菲涅尔透镜1的焦距。其中IEC60904-9国际标准如下：

式中Emax为聚光表面光照强度的最大值，W/m²；Emin为聚光表面光照强度的最小值，W/m²。

能量转换的原理：太阳光线首先到达平板线聚焦菲涅尔透镜1表面，绝大部分的太阳光线会经过折射汇聚到抛物反射镜2和圆弧反射镜4上，有一小部分被平板线聚焦菲涅尔透镜1吸收和反射。到达抛物反射镜2和圆弧反射镜4上的太阳光线会再一次被反射到接收平面，在这个过程中，由于抛物反射镜2和圆弧反射镜4为非理想反射面，因此也会有一小部分太阳光线被吸收耗散掉。到达太阳能电池板9表面的太阳光线绝大部分会透过玻璃盖板901，但仍有一小部分被玻璃盖板901反射及吸收耗散掉；穿过玻璃盖板901的太阳光线同样会透过EVA902，在EVA902层会有极小一部分太阳光线被吸收耗散掉。最终到达晶硅电池表面，晶硅电池会以一定的吸收率对光线选择性吸收，其中占太阳光谱总量66％的晶硅电池相应波段(422.4～893.3nm)用来发电，而另两个热波段(250～422.4nm和893.3～2500nm)则被晶硅电池吸收，使晶硅电池的温度升高。接收表面两侧的第一吸热板6和第二吸热板7同样也会以一定的吸收率对反射光线进行吸收，吸热板吸收热量后温度升高。平板线聚焦菲涅尔透镜1的内表面、太阳能电池板9、玻璃盖板901的上表面以及第一吸热板6、第二吸热板7的内表面会以对流的形式将热能传递给聚光组件内部的空气。

相关技术在模拟时，主要考虑光线垂直进入CPC的情况，而忽略了不同时刻太阳角度对装置的影响，忽略了末端损失。因此以下给出关于本装置在以太阳高度角和方位角作为影响因子的相应模拟。需要注意的是，本模拟以上海浦东的经纬度为例，并以假定以北京时间12:00为模拟地点的太阳达到日高点的时刻。

由于太阳角度在上午和下午基本对称，因此只对9:30到12:00的温度分布进行模拟。结合图5和图6可以看出在9:30时，由于太阳的高度角和方位角较小，大面积的阴影区域出现在CPC电池表面，使得电池表面产生非均匀的通量分布，最大温差达到68.53℃，温度分布的均匀性为0.34，如图7所示，较大的温差严重影响电池的安全运行。随着太阳的移动，CPC电池受太阳角度的影响越来越小，电池表面的阴影区域和温差也随之减小，温度的均匀性在增加。在12:00时，CPC几乎不受太阳方位角的影响，光学效率和聚光的均匀性达到了最大值，此时电池表面的最大温差为23.07℃，温度分布的均匀性为0.86，相较于9:30时的最大温差减小了45.46℃，温度的均匀性提高了0.52，电池的温度分布有较大的改善。通过模拟可以看出，CPC受自身结构的影响，其对不同角度的太阳入射光线的容错性较小，当较小角度的太阳光线入射到CPC时，CPC电池表面会存在阴影区域并出现较大的温差，温差会导致电池单元受热应力而产生裂痕，影响电池的寿命，降低电池的性能。

同样结合图5、图6和图7可以看出，太阳能电池板9电池表面的温度分布均匀，没有特别明显的温度差异，这归因于本聚光装置加入了透镜和吸热板使得电池表面受太阳角度的影响较小，电池表面的通量分布均匀。但不难看出在9:30时电池表面也出现了最大温差达到18.93℃，这是因为该时刻太阳的方位角较小，第一吸热板6汇集到的能量少，表面温度较低，受温差的影响将导致第一吸热板6与电池相连区域的空气产生热交换，靠近第一吸热板6一侧的电池温度下降，导致电池表面温差变大。但相比于同时刻的CPC电池表面的最大温差小了49.60℃，温度的均匀性高了0.55，电池的温度分布特性明显优于CPC电池，对于低角度的太阳入射光线，本聚光装置容错性更高。随着太阳的移动，太阳能电池板9表面温度分布都较为均匀，电池表面温度分布的均匀性都保持在0.89以上，并且在11:00时电池的最大温差仅为9.27℃，温度分布的均匀性为0.95，相较于12:00时的CPC电池的温差小了13.8℃，均匀性提高了0.09。经模拟验证，在相同光通量下，本聚光装置可以减小低角度太阳光线入射时对电池温度的影响，提高电池表面温度分布的均匀性。

综上，通过对本装置进行三维数值模拟可知，受太阳角度和自身结构的影响，CPC电池表面的温差远大于本聚光装置电池的温差，这使得内部空气扰动更剧烈，电池表面的热量经腔内空气对流换热和壁面热交换后其平均温度要低于新型电池温度。同时在空气扰动的作用下，加剧了电池表面温度分布的不均匀性，使得CPC电池表面温度分布的均匀性远低于本装置太阳能电池板9的表面。本聚光装置可对低方位光线有一定的容错性，电池表面无阴影区域。同时由于表面温差较小，腔内的空气扰动主要分布在电池与吸热板的交界区域，电池区域受空气扰动影响小，表面温度分布均匀。

为了适应日期的不同产生的太阳高度角变化，支撑装置可以固定接收装置的远日端的高度，并上下调节抛物反射镜2远离远日端的一端的高度。具体的，参照图2，支撑装置包括有安装于接收装置远日端的固定支架3和安装于抛物反射镜2远离远日端的一端的活动支架8，固定支架3与接收装置通过旋转铰链5相连，活动支架8与接收装置通过旋转铰链5相连。在不同的实施例中，活动支架8可以有不同的结构，但凡能够对接收装置远离远日端的一端高度进行调节即可。在具体但不限定地，活动支架8可选为伸缩杆。比如，伸缩杆的调整是在季节变化导致的太阳高度角变化后，为了更好地使聚光表面能流分布均匀而进行的角度调整，角度调整后(整个聚光装置都要旋转，旋转的角度体现在接收平面和水平面夹角，即仰角)，会影响到聚光效率和聚光的均匀性，从而使得聚光装置一直高性能工作。

参照图3，冷却装置包括蛇形冷却管10，蛇形冷却管10设置于第一吸热板6和第二吸热板7的两侧、以及太阳能电池背向圆弧反射镜4的一面。蛇形冷却管10内填充有换热液，其中蛇形冷却管10外连接于热量回收装置或者热量使用装置，比如热水器的蓄水桶。第一吸热板6、第二吸热板7、太阳能电池板9、平板线聚焦菲涅尔透镜1、抛物反射镜2和圆弧反射镜4围合形成空气冷却通道11，空气冷却通道11用于自然对流换热或强制对流换热。实际使用中，蛇形冷却管10和空气冷却通道11根据不同的季节进行切换使用。

由于第一吸热板6和第二吸热板7通过吸收光线的能量转化为热能。热能主要通过两种形式进行回收利用。第一种：组件在寒冷季节运行时，考虑到夜间环境温度低，蛇形冷却管10中的换热液可能会凝固导致设备的损坏。因此在该季节采用空气冷却通道11进行降温和热收集，第一吸热板6、第二吸热板7和太阳能电池板9的热能通过吸热板内表面和玻璃盖板901上表面与空气冷却通道11内的空气进行换热。第二种：组件在炎热季节运行时，由于太阳辐照和环境温度较高，通过单一的空气冷却通道11降温集热的效果不佳，此时需要通过蛇形冷却管10和空气冷却通道11来回收热能。

太阳能的能量转换过程为：太阳能电池基板904、第一吸热板6、第二吸热板7通过导热的方式将热量传递给蛇形冷却管10的管壁，再经对流换热将热量传递给蛇形冷却管10内的换热液。由能量的传递过程可以看出，太阳能一部分转化为电能，一部分则转化为热能，其余的则由于热阻的原因而耗散掉了。

本申请实施例一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置的实施原理为：

本申请的非追踪低倍率聚光太阳能发电装置，将太阳能电池板9、吸热板、冷却装置、平板线聚焦菲涅尔透镜1以及单侧非对称的复合反射面相结合。平板线聚焦菲涅尔透镜1，作为光学聚光元件，可对平行光线和散射光线起到较好的汇聚作用，同时可改变入射光线的角度扩大光线接收范围，组件的光线接收角度趋近于0°～90°，较大的光线接收范围使该组件每年只需要调整有限的几次安装角度，以上海浦东为例则只需要调整四次安装角度，因此能够有效地降低组件的运行成本。

透镜焦距的大小影响光线的折射程度和透镜的光学损失，关乎聚光组件的光学性能。比如透镜的焦距大则聚光均匀性好，但光学效率低，透镜的焦距小则光学效率高，但聚光均匀性差。因此，选择合适焦距的平板线聚焦菲涅尔透镜1与复合反射面结合后，可兼顾光学效率和聚光的均匀性。

第一吸热板6和第二吸热板7布置在太阳能电池板9的两端，用来吸收因光线角度变化而导致接收表面两端产生的不均匀热流，从而减少能量损失。单侧非对称的复合反射面由圆弧面和抛物反射镜2组成。以上海浦东为例，则圆弧的设计角度为60°，圆弧的半径等于接收表面横截面的宽度，该复合反射面可将光线较为分散的反射到接收装置上，提高接收装置表面能流分布的均匀性。复合反射面采用单侧反射聚光，相较于三角型CPC聚光装置几乎省去了一半的材料，经济性突出。

此外，参照图8，本申请还公开了一种非追踪低倍率聚光太阳能发电装置设计方法，包括以下步骤：

设置接收平面，其中接收平面由依次设置的第一吸热板6、第二吸热板7和太阳能电池板9的底面形成；

设定接收平面的宽度，以作为截面宽度；

基于所处的地球经度和纬度设定第一吸热板6和第二吸热板7的长度；

基于所处的日期区间调整接收平面与水平面的夹角，以作为安装角度；

设定聚光比；

基于聚光比和截面宽度设置聚光装置，其中，聚光装置包括平板线聚焦菲涅尔透镜1、抛物反射镜2和圆弧反射镜4，圆弧反射镜4的一端连于接收平面的远日端，另一端连于抛物反射镜2，圆弧反射镜4以接收平面的近日端为弧心，抛物反射镜2以接收平面的近日端为焦点；

基于聚光比调整平板线聚焦菲涅尔透镜1的聚光焦距，以及平板线聚焦菲涅尔透镜1的安装位置；其中，平板线聚焦菲涅尔透镜1的一端连于接收平面的近日端；

以平板线聚焦菲涅尔透镜1的平面作为光线入口。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非追踪低倍率聚光光伏光热装置，其特征在于，包括：

接收装置，包括依次设置于同一平面上的第一吸热板、太阳能电池板和第二吸热板，所述第一吸热板、所述太阳能电池板和所述第二吸热板的底面配合形成接收平面，所述接收平面朝向太阳运行轨迹倾斜形成近日端和远日端；

聚光装置，包括平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜，所述圆弧反射镜的一端连于所述接收平面的远日端，另一端连于所述抛物反射镜，所述圆弧反射镜以所述接收平面的近日端为弧心，所述抛物反射镜以所述接收平面的近日端为焦点；所述平板线聚焦菲涅尔透镜作为光线入口，所述抛物反射镜和圆弧反射镜依次将经过平板线聚焦菲涅尔透镜的光线反射至接收装置；

支撑装置，用于固定接收装置的远日端的高度，并上下调节抛物反射镜远离远日端的一端的高度；

沿水平方向设置正交的X轴和Z轴，以竖直方向为Y轴，构建空间笛卡尔坐标系；所述抛物反射镜所形成的抛物表面沿Z轴延伸设置，所述圆弧反射镜所形成的圆弧表面沿Z轴延伸设置，且以抛物表面的焦点和圆弧表面的焦点作为该空间笛卡尔坐标系的原点；

抛物表面在X-Y平面上的方程为：

，

圆弧表面在X-Y平面上的方程为：

；

其中，

为接收装置的截面宽度，/>

为聚光装置对应的CPC的最大接收半角，/>

均为中间变量。

2.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，当t=0时聚光比为1，当t=2.24a时聚光比为2，当t=3.44a时聚光比为3，当t=4.50a时聚光比为4。

3.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，还包括有冷却装置，所述冷却装置包括蛇形冷却管，所述蛇形冷却管设置于第一吸热板和第二吸热板以及太阳能电池背向圆弧反射镜的一面，所述蛇形冷却管内填充有换热液。

4.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，所述第一吸热板、第二吸热板、太阳能电池板、平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜围合形成空气冷却通道，所述空气冷却通道用于自然对流换热或强制对流换热。

5.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，所述第一吸热板和第二吸热板的厚度适配于太阳能电池板的厚度。

6.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，所述支撑装置包括有安装于接收装置远日端的固定支架和安装于抛物反射镜远离远日端的一端的活动支架，所述固定支架与接收装置通过旋转铰链相连，所述活动支架与接收装置通过旋转铰链相连。

7.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，所述接收平面与水平面的夹角基于所处的日期区间设定。

8.根据权利要求1所述的光伏光热装置，其特征在于，所述第一吸热板和第二吸热板的长度基于所处的地球经度和纬度设定。

9.一种非追踪低倍率聚光光伏光热装置设计方法，其特征在于，用于如权利要求1-8任意一项所述的光伏光热装置，该方法包括以下步骤：

设置接收平面，其中接收平面由依次设置的第一吸热板、第二吸热板和太阳能电池板的底面形成；

设定接收平面的宽度，以作为截面宽度；

基于所处的地球经度和纬度设定第一吸热板和第二吸热板的长度；

基于所处的日期区间调整接收平面与水平面的夹角，以作为安装角度；

设定聚光比；

基于聚光比和截面宽度设置聚光装置，其中，聚光装置包括平板线聚焦菲涅尔透镜、抛物反射镜和圆弧反射镜，圆弧反射镜的一端连于接收平面的远日端，另一端连于抛物反射镜，圆弧反射镜以接收平面的近日端为弧心，抛物反射镜以接收平面的近日端为焦点；

基于聚光比调整平板线聚焦菲涅尔透镜的聚光焦距，以及平板线聚焦菲涅尔透镜的安装位置；其中，平板线聚焦菲涅尔透镜的一端连于接收平面的近日端；

以平板线聚焦菲涅尔透镜的平面作为光线入口。

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