阳光聚集装置：高效节能的智能设备

8.3.2.1 抛物面反射镜聚光装置

凹面镜和凸透镜是人们熟悉的两种光学器件，它们分别利用反射和折射来实现对平行光线的聚集。典型的聚光凹面镜采用抛物面，另有一种槽型抛物面聚光系统采用的是其截面为抛物线的柱面。前者将阳光聚集到焦点附近的光伏电池上，而后者则将阳光聚集到条状的光伏电池上。

一个标准的抛物面聚光器，其效果是将平行光汇聚成一个与抛物面焦点重合的点。但是，太阳虽然遥远但毕竟体积庞大，因此从地球上任何一点观察，太阳并非是点光源，而是要占据一定的视野。由图8-6可计算出太阳占据的角度为32′，这个角度称为太阳的张角^[4]。对于阳光聚集系统来说，无论是点聚焦还是线聚焦，在焦点平面上聚集的阳光并非为一点或一条直线，而是太阳的实像光斑或光带。实际应用中，一般将受光器放置于焦点（焦线）偏下的某个位置，只要求将太阳光均匀汇聚在W×L区域面积即可，其中：W为受光面宽度，L为受光面长度。科学合理地确定聚光反射镜和光伏电池的尺寸及安装方式是设计的关键。图8-7所示为抛物面聚焦原理。

图8-6 太阳的张角

图8-7 抛物面聚焦原理

槽型抛物面聚光系统的制作相对容易，而大面积的抛物面反射镜的制作则较为困难，因此可以采用将抛物面离散化的方法，以多平面镜阵列来模拟抛物面，形成大面积聚光装置。

8.3.2.2 多平面镜聚光装置

利用多个平面镜反射聚光是一种很好的对光伏电池板进行聚光的办法，一个多平面镜聚光系统的方案如图8-8所示^[3]。在这种聚光系统中光伏电池位置固定，采用了多个平面镜将各自接受的阳光反射到光伏电池表面，其优点在于以廉价的平面镜的面积替代了昂贵的光伏电池面积，具有效果明显、成本低廉、易于更换维护等优点。但是在这种系统中每个平面镜都需要配置自己的二轴伺服机构，并需要在一个总控单元的控制下随太阳位置的变化而改变各自的方位角和高度角，才能保证反射的阳光总是落在光伏电池板上。

图8-8 多平面镜聚光系统的一个方案

图8-9 塔式太阳能电站图

在这种系统的开发中，光伏电池板接受多块平面镜反射的阳光时如何保证光伏电池表面入射光的均匀性，电池板与多平面镜系统相对位置如何进行空间布局以获得最佳发电效果都是需要研究的问题。

这种采用有限数量平面镜的聚光系统属于低倍聚光发电系统，可用于采用普通硅电池的光伏发电系统以充分利用硅电池的发电潜力。

另外有一种高倍聚光系统采用了二维的多平面镜阵列布局，其阳光收集装置位于高塔之上（见图8-9）。美国为其建立的一个100MW的光热电站使用了12500面各为50m²的平面镜^[4]。

多平面镜聚光系统中的每面镜子都需要独立控制的二轴伺服机构，这成为影响系统经济性的关键因素。而图8-9的系统适用于光热发电系统，若用于光伏发电系统其控制将可能更为复杂。

另一种采用多平面镜聚光的方案如图8-10所示（Teton Engineering），该方案中采用了大量二维布局的平面镜将阳光反射到阳光收集器。这种方案可以得到很大的采光面积和很高的聚光倍数，而且只需要一组二轴阳光跟踪伺服机构。在框架上的众多平面镜是固定安装在框架上的，本质上是后面介绍的反射聚光抛物镜的离散化，克服了连续抛物面制作上的困难。(www.xing528.com)

图8-10 仿抛物面多平面镜聚光系统

8.3.2.3 菲涅尔透镜聚光装置

阳光聚集的方法之一是采用菲涅尔透镜，这种透镜由法国物理学家菲涅尔（Augustin-Jean Fresnel）发明，目的是改进灯塔上的探照灯。点聚焦的菲涅尔透镜大致可以被理解为具有点聚焦作用的凸透镜通过差分离散化方法实现的一种变形，其变形过程如图8-11a所示：首先将普通透镜分成以光轴为中心的若干同轴环形柱体，然后保留柱体的曲率部分，去掉对光轴平行光线不起折射作用的柱体部分，结果是形成了以光轴为中心的若干同心棱镜环。菲涅尔透镜中这些棱镜环的合成效果也是达到与通常由光学玻璃制作的球面透镜相同的效果，例如，与光轴平行的入射光线经过菲涅尔透镜后会聚于焦点，而处于焦点的点光源发出的光线经过菲涅尔透镜折射成为平行光。

相对于通常由光学玻璃制作的球面透镜，菲涅尔透镜体积、重量和厚度均大为减小，透光性因厚度减小而得到增强。由于其轻薄的特点，大面积菲涅尔透镜的制作较为容易，并且可以采用光学树脂通过模压工艺成批生产，为聚光光伏系统对大面积低能量密度阳光的聚集提供了可行性。

另外一种线聚焦的菲涅尔透镜可视为上述点聚焦的圆形菲涅尔透镜的再次变形，即将环形棱镜拉直如图8-12b所示，平行的入射光线将会聚在一条直线上。线聚焦菲涅尔透镜聚光系统的优点是可以采用单轴的阳光跟踪系统^[5]。

图8-11 菲涅尔透镜的形成原理与线聚焦菲涅尔透镜

a）从凸透镜到菲涅尔透镜 b）线聚焦菲涅尔透镜

图8-12 菲涅尔透镜聚光组件及聚光阵列

如前所述，聚光系统对阳光的聚集都是非成像聚光，在聚光光伏系统中的光伏电池一般并不放置在焦点或焦线上，而是要根据欲达到的聚光倍数将电池放在一个与焦点或焦线有一定距离的位置上。菲涅尔透镜对连续镜面离散化会导致聚焦成像质量的降低，并导致光伏电池表面照度的不均匀。因此在光伏电池前可增加一个用光学玻璃制成的二次透镜，使经过菲涅尔透镜高倍聚焦的太阳光均匀地分布于太阳电池表面上。

8.3.2.4 光漏斗聚光装置

光漏斗聚光法是由中国科技大学陈应天教授于2004年提出的一种聚光方法——光漏斗法。所谓的光漏斗是由一个普通的单晶硅光伏电池和一个八面体反射镜围成的光漏斗组成。八面体光漏斗的作用是将太阳光通过八个平面反射的方法折叠并聚集起来，形成4倍的太阳光强并均匀地照在光漏斗底部的硅光伏电池上，如图8-13所示。

与传统的平板固定式光伏发电系统相比，新的光漏斗聚光光伏发电系统可以在同样的发电功率等级条件下，节省3/4的硅电池；或者说在使用同样数量的硅光伏电池的条件下，可以将实际输出功率增加到原来的4倍。

图8-13 光漏斗俯视图

该方法应用推广的关键在于八面体光漏斗聚光发电组件的制作、成本和寿命。为了加大采光面积而提高输出功率，在应用系统中将多个组件组合成阵列，并使用共用的阳光跟踪装置。