聚光光伏理论研究-毕业论文.doc

湖北工业大学理学院2013届毕业设计（论文）摘 要随着日益加剧的能源与环境危机，人们开始寻求一种可再生的洁能源，太阳能则是较为理想的一种。太阳能作为清洁能源中的一种，具有无污染、无噪音、安全、占地少、储量巨大等特点成为人们越来越关注的焦点。目前光伏技术已经历晶硅与薄膜电池两代，光伏发电技术发展至今由于高成本和并不理想的发电效率没能得到普及。本文中所提到的聚光光伏技术是近些年取得较好成就的第三代光伏技术，聚光光伏技术在以上两方面得到较大的突破。聚光光伏的核心是具有高光电转换效率的族电池和聚光系统。通过外延生长技术形成多节电池，令电池片光电转换效率达到前所未有的水平。聚光系统则是通过将入射光汇聚于电池表面增加了电池的辐照度和光强，是有效提升电池光电转换效率的做法。屋顶系统作为光伏发电技术的一个重要应用，其目的是通过发电模组与建筑、环境的有机结合，达到与主电网并网发电或在偏远无电地区实现独立的发电微网。该项应用已在欧美等发达国家大规模实行，在我国目前处于个别示范性工程的阶段。在我国推广屋顶系统不仅是节能减排、解决偏远山区无电人口的用电问题而且也是拉动内需，让进入寒冬的光伏行业复苏的好机会。本文简要介绍了聚光光伏的原理、优势以及不同技术路线的特点。对其利用菲涅耳透镜的聚光技术和屋顶系统做了详细分析、仿真并对其未来发展趋势做了展望。关键词：聚光光伏、菲涅耳透镜聚光、屋顶系统。AbstractWith the energy and environment crisis intensified, people began to seek a kind of clean and renewable energy ,and solar energy is a kind of ideal. Solar energy as a clean energy, has no pollution, no noise, focus on safety, less land occupation, huge reserves characteristics become increasingly concerned. At present, photovoltaic technology have experienced amorphous silicon and thin-film batteries two generation, photovoltaic power generation technology development so far due to the high cost and power efficiency is not ideal can not be universal. Concentrating photovoltaic technology mentioned in this paper is the third generation of photovoltaic technology in recent years made good achievements, concentrating photovoltaic technology in the above two aspects have great breakthrough.The core of concentrating photovoltaic is having a high photoelectric conversion efficiency of - battery and concentrating system. Growth technique to form a plurality of batteries by extension, the battery photoelectric conversion efficiency reached a hitherto unknown level. Condenser system is through the incident light converging to a surface of the battery and increase battery irradiance and light intensity, is effective to enhance battery photoelectric conversion efficiency approach.The roof system as an important application of photovoltaic power generation technology, its purpose is through the organic combination of power module and architecture, environment, and achieve the main grid power or in remote areas without electricity for independent power micro-grid. The application has the massive in Europe and the United States and other developed countries, in China is currently in the individual demonstration project stage. In our country, the promotion of roof system is not only energy-saving emission reduction, to solve the remote mountainous areas of electricity for the population without electricity problems but also stimulate domestic demand, let the good chance to enter the winter of photovoltaic industry recovery.This paper briefly describes the principles，advantages and characteristics of different technical routes of concentrating photovoltaic technology. Using the Fresnel lens condensing technology and solar roof system of CPV are analyzed in detail in this paper and makes a prospect to the future development trend of CPV.Key Words: concentrating photovoltaic（CPV）, Fresnel lens condensing technology, solar roof system.33目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 太阳能发电技术的研究背景和意义11.2太阳能发电技术的发展2第二章 聚光光伏的原理及分类42.1 聚光光伏的原理42.1.1 反射聚光原理52.1.2 折射聚光原理62.1.3 二次聚光72.1.4 -族电池82.2 追日系统及其他附属系统92.2.1 追日系统原理92.2.2 散热及外部设备10第三章 菲涅耳透镜聚光系统123.1菲涅耳透镜聚光原理123.1.1菲涅耳透镜123.1.2 光线偏移对聚光光斑的影响143.2 二次聚光及匀光技术193.2.1 二次聚光193.2.2 匀光技术21第四章 太阳能屋顶系统244.1 目前的屋顶系统254.2 基于聚光光伏的屋顶系统26第五章 对聚光光伏的总结与展望30致 谢32参考文献33第一章 绪论1.1 太阳能发电技术的研究背景和意义太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等等。在中世纪的英国，人们几乎砍光了树木来做木柴，于是开始开采浅层地表的煤炭，从此化石燃料开始成为人类发展的主要能源，随后由于深层煤炭的开采，蒸汽机的发明，石油的开采，汽油、农药从石油中的提炼，世界大战，人口膨胀等原因，化石燃料成为人类赖以生存的能源，开采量、消耗量逐年上升，使得人类社会发展到如今的地步。但是化石燃料是有限的，据统计，截至2012年全球已探明的石油、天然气储量仅可适用50-60年，并且由于燃烧产生的温室气体、有害气体和其他形式的污染导致了诸多环境问题、生态灾难。例如严重的空气污染、温室效应引起的海平面上升、全球热浪及各种灾害的频发，已经严重威胁到人类的生存。在化石燃料日益枯竭和环境逐渐恶化的今天，人们看到了能源危机的阴云，并开始寻求替代化石燃料的新的清洁并可再生的能源。太阳能是取之不尽的储量能源的一万倍。太阳的寿命尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳能可再生能源，可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约是1.6kw，其中到达地球的能量高达8kw，相当于6吨标准煤。按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892千亿吨，源源不断供给给地球的能量可谓是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。太阳能由于其无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无需消耗燃料、可以无人值守、建设周期短、规模设计自由度大、可就地使用、容易储存、还可以方便地与建筑物相结合等特点成为了较好的选择，这些优点都是常规发电和其它发电方式所不能比拟的，而且使用太阳能光伏发电可以既不为核电站可能发生的核泄露事故而烦恼，也不必为水电站的堤坝可能在战争或地震中崩溃而担忧，所以对太阳能发电技术的研究具有十分重要的意义。当然，事情不会总是如我们所愿，有着诸多优点并且“取之不尽，用之不竭”的太阳能在当下并没有得到普及，其原因是因为太阳能发电系统的高成本和不尽人意的发电效率，如何在降低成本的同时提高发电效率成为了解决问题的关键。起初的晶硅/非晶硅电池的效率已经接近理论极限，且由于其发电成本远高于主流发电成本，以上两个问题显的非常棘手。经过不断的探索，人们发现可以通过将太阳光汇聚在太阳能电池上可以提高发电效率，并降低了成本。于是，各个国家都开始了对聚光光伏技术的研究，实现了更高的光电转换效率和降低成本。即便如此，由于一些问题如今聚光光伏技术仍未能普及，于是对其更加深入的研究显得尤为必要。1.2太阳能发电技术的发展20世纪70年代初的中东战争引发了“石油危机”后世界范围内掀起了太阳能开发利用的热潮。最初的太阳能技术应用于航空领域，历经三代发展。第一代光伏技术是以单晶/多晶硅为材料的硅太阳能电池为代表的（如图1.2.1），其电池光电转换效率在20%左右，特点是制作电池材料的硅在地球上的储量非常大，适合大批量生产，因为需要扩大电池面积来提高发电量，所以成本较高。图1.2.1 第一代晶硅太阳能电池第二代技术是以非晶硅和-族元素为材料的薄膜太阳能电池（如图1.2.2），由于该电池可以以价格低廉的塑料、玻璃、陶瓷、石墨、金属等材料做衬底，所以成本上较晶硅电池有优势，但是又因为较低的光电转化效率（13%左右）并没得到太多的发展，其显著的特点是具有柔性，可以应用安置在任何需要太阳能发电的物体表面上。图1.2.2 第二代薄膜太阳能电池第三技术聚光光伏技术，该技术的核心就是通过聚光器组件提高太阳能表面的入射光辐射照度，从而提高单位面积太阳能电池的输出功率（如图1.2.3）。该技术采用廉价的光学聚光元器件和高效率-族电池，达到降低发电成本和提升发电量的目的。目前，发电效率已经达到已达到40%以上。 图1.2.3 第三代聚光太阳能技术聚光光伏及种类聚光太阳能发电技术包括太阳能光热技术和光伏技术。前者是通过聚光产生的大量的热能转化为机械能从而发电；而后者是利用太阳能电池的内光电效应直接把光能转换为电能，因此成为太阳能聚光发电技术的主流方向。第二章 聚光光伏的原理及分类2.1 聚光光伏的原理顾名思义，聚光光伏就是通过将太阳光汇聚于太阳能电池的发电方式。其原理是太阳光通过聚光器件汇聚到高性能的-族电池片上，电池片单位面积辐照度较晶硅电池得到较大提升，从而提高了光电转换效率和发电量，并节省了制作大面积晶硅电池所用的材料，大幅降低了发电成本。并通过追日系统使电池时刻保持最大发电量。按光学原理的不同分为反射式聚光和折射式聚光，按照聚光形式的不同又分为线聚光和点聚光，从而产生了蝶形、槽型发电系统和菲涅耳透镜发电系统。 在非聚光情况下，太阳电池性能的提高主要得益于电池开路电压和光生电流的提高。首先在非聚光条件下太阳能电池的电流-电压关系为 （1）或 （2）其中为开路电压，为短路电流，为暗电流，m为考虑光生载流子各种复合过程的理想因子,一般情况下, 1 m 2. 太阳电池的光电转换效率为电池的最大输出功率与入射太阳光功率 的比值,可以表示为 （3）其中，FF为填充因子，他表示电池输出特性曲线的“方形”程度。在聚光条件下，假设光生电流与太阳电池的聚光比成正比,与(1)式和(2)式对比可得到聚光太阳电池的电流- 电压关系为 （4） （5）转换效率可表示为 （6）其中x为太阳能电池的聚光比。假定串联电阻较小,通过对太阳能电池单指数模型进行数学处理,可得到聚光条件下的最大转换效率为 （7）由(7)式可见,转换效率随着聚光比增加而呈对数型增加。以下将做简要介绍。2.1.1 反射聚光原理反射聚光原理如图2.1.1，是利用高反射率的材料将太阳光汇聚到电池之上得到较高的聚光比，通常该类型的聚光器有抛面镜、平板、抛物槽、组合抛物面等几种。其材料常用镀银玻璃、镀铝面和高分子材料制成的高反射率薄膜。该方法的有点在于不存在色散现象，辐射分布均匀，反射率可以接近100%。主要应用于碟型和槽式发电系统，缺点在于安装复杂，而且电池的支撑冷却装置会产生阴影。图2.1.1 反射式聚光原理图2.1.2 折射聚光原理折射式聚光技术的核心是菲涅耳透镜的应用，利用菲涅耳透镜具有不同折射角度的特点将其表面的光线折射汇聚至电池表面，其原理如图2.1.2 。由于菲涅耳透镜容易制作、轻便、价格低，较反射式聚光有成本优势。利用菲涅耳透镜的发电系统可以将多个聚光单元紧凑的排列形成模组，具有较好的应用前景。图2.1.2 折射式聚光示意图 2.1.3 二次聚光无论是反射式聚光还是折射聚光都无法直接将光线均匀的汇聚到电池表面，电池表面光斑光强分布并不均匀。而且机械偏差会造成入射光线偏离聚光器轴向方向，造成电池表面光斑的光强分布迅速衰减。以400菲涅耳透镜为例，当入射角偏离0.5，光学效率衰减64%，当偏离角增至1，光学效率为0。所以为了增加对入射光线偏离角的容忍度，在电池表面增加二次聚光，常用的方法是使用光锥和光杯。前者光线从光锥的宽面进入光锥通过全反射均匀照射在电池表面，后者则是光线在光杯内经数次反射均匀照射在电池表面。原理图如2.1.3。图2.1.3 光锥光路图2.1.4 -族电池聚光光伏早期使用的也是晶硅电池，但是随着聚光倍数的增高，电池表面温度上升，晶硅电池的效率随之下降（如图2.1.4.a）。然而-电池因其很好的高温特性和更广的光谱响应特性（如图2.1.4.b）成为聚光光伏电池的主流。典型的有InPGaAsGe三节砷化镓电池，该电池采用外延生长技术在GaAs层上增长InP和Ge层从而提高了电池整体对太阳光光谱的响应范围进而提升了电池光电转换效率，达到了40%以上。图2.1.4.a 晶硅电池与GaAs电池耐热性对比图2.1.4.b 晶硅与-族电池对太阳光谱的响应对比2.2 追日系统及其他附属系统对于聚光型发电系统，只有当光线垂直照射在聚光器件时才能使接收到的能量达到最大，一般情况下超过10倍聚光率的系统都需要追日系统来保证聚光效果。典型的高倍聚光模块的追日系统精准度必须小于 0.1的误差，才可达到接收到近90%的额定能源输入。 在低倍聚光光伏模块中则需小于 2的接收角度误差方可达到90%的额定能源输入。所以追日系统也是聚光光伏发电系统的重要组成部分。2.2.1 追日系统原理如我们所知追日系统的根本作用就是保持电池模组与太阳光入射方向垂直已达到保持模组表面积上最大的辐射通量的目的，进而使电池处于光电转换效率的峰值水平。其实现方式有根据天文年历的追日系统和光机电一体化的追日系统两种。天文年历中可以查到不同地区不同时段的太阳方位，只要将其编程输入控制器件并驱动电机带动机械框架实现追日。在对于低倍聚光、对追日精度要求不高的系统则可应用天文年历，这是一种简单、易行的追日方式。而对于高倍聚光系统必须使用光机电一体化的追日方式，因为在高倍聚光下天文年历的精度无法满足系统的需求。其组成部件有主体框架、机械传动轴、传感器、控制器、伺服电机。通常的做法是将两者结合，首先，通过天文年历大致判断太阳的的位置，避免另一种追日系统的多余工作量。然后通过光敏元器件判断模组与入射光之间是否垂直，并经行精细的调节来实现追日目的。追日系统按机械设计又分为单轴系统和双轴系统，目前,对日跟踪器的设计方案众多,形式不拘一格。点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟踪,线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪。如图2.2.1所示。图2.2.1 单轴、双轴跟踪系统示意图2.2.2 散热及外部设备由于太阳光汇聚后会在电池表面形成非常高的温度，如果不能及时散热，光电转换效率会下降甚至有可能烧毁电池。因此电池散热是模组设计时必须优先考虑的因素之一。散热器分主动式冷却和被动式冷却。主动式冷却是指用流动的水或其它介质将聚光组件工作时产生的热量带走，以达到冷却太阳电池的目的。太阳电池方阵产生的热量通过散热器直接散发到大气中，这种散热方式叫被动式冷却。主动式冷却可以更好地降低太阳电池的温度，但这种方法存在的问题是可靠性，如果冷却系统出现问题，太阳电池组件可能由于过高的温度而烧焦。被动式冷却有较高的可靠性，是聚光电池冷却的首选方式 ，但由于大规模应用和高聚光率产生的高能流密度的情况，则应考虑使用主动式冷却。聚光太阳电池的散热是很重要的，这是因为同时要考虑好的导热性能和好的绝缘性能。被动式散热有很多种形式，散热片的设计是散热片的成本和所产生电量之间的折衷。Entech公司所制造的聚光系统中采用被动散热 ，翅片厚度从根部到尖端逐渐变细，为放射状排列，翅片所提供的散热面积为组件截光面积的4倍，这样即使在风速低、环境温度高、高辐射时，也能正常散热，测试表明其温度仅比一个太阳下的组件高510oC。SEA公司采用挤制铝材的散热片，实验表明，从散热片到空气的温度降至少是散热片内部温度降的5倍，所以散热片到空气的传热是主要的热阻，主要的散热依靠3个翅片和2个组件的侧边，3个翅片上都有突出物既加大了换热面积，也加强了对空气的扰动增强了传热。EUCLIDES的散热器由轻质铝翅片组成，通过模拟计算组件背面与空气的导热和对流传热，得到了散热片质量一定时翅片的最佳尺寸和间距，翅片厚lmm和长140mm，间距为10mm，但由于制造上有难度，翅片的厚度略有增加。另外一种散热片又叫热扩散片(heat spreader)，它通常是一张薄铜板，由于铜有很好的导热性，可以把电池所吸收的热量很快传到其他元件上，与传统的散热片相比主要特点是结构简单、质量轻，铜板的表面积通常与聚光器的表面积相当。文献对此传热原理有较详细的论述，作者指出了合理选择电绝缘层对于传热的重要性，并且通过实验说明此种装置在500x下的适用性。Sandia 开发出一种散热器，是把电池直接焊在铜的散热片，既做为传热元件也做为下电极。此外，由于太阳能电池所产生的电流为直流电，所以聚光光伏发电系统需要逆变器才能实现对外供电，当电量富余时需要用储能装置来储能。逆变器将模组输出的直流电转变成我们所使用的交流电。储能装置不仅有传统的铅酸蓄池，而且有利用电能抽水或压缩空气待需要时在将其释放发电的方式，近年来超导技术在储能领域也得到广泛的应用。第三章 菲涅耳透镜聚光系统在聚光光伏技术中，菲涅耳透镜以其较低的成本以及轻便容易制作等有点成为聚光系统设计者的主要选择，本章将详细介绍菲涅耳透镜聚光原理及二次聚光的重要性。3.1菲涅耳透镜聚光原理3.1.1菲涅耳透镜Fresnel 透镜是由法国物理学家Augustin Jean Fresnel 在1822 年发明的,它是采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列组成不连续曲面取代了一般透镜的连续球面。Fresnel 透镜因其结构简单,便于制造,重量体积上更轻、更薄,设计上可以获得更大的孔径与焦距比,所以作为太阳能聚光器的应用也越来越受重视。其中以美国Wagner 等提出采用Fresnel 透镜进行太阳光谱分离的研究预计可以设计出效率超过50 %的聚光光伏发电系统较为突出。太阳能Fresnel 聚光透镜的设计主要是以透镜的光学效率、成像面上光斑的能量均匀性、色散以及聚光光斑大小与聚光光伏电池的匹配等为主要控制指标 。如图3.1.1所示，菲涅耳透镜的其中一面刻有一系列同心棱形环带， 其中每个棱形环带都相当于一个独立的折射面，这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。图3.1.1 菲涅耳透镜第i齿折射光路图图中h 为光线到光轴的高度，L 为菲涅耳透镜的焦距，n 为材料对应入射光谱的折射率。u 为光线经菲涅耳透镜后的偏折角度， 为菲涅耳齿的倾角，计算公式为： （1） （2）由（1）、（2）可得出结论：在相同的受光面积下，菲涅耳透镜与相同材料、焦距的凸透镜相比具有能将更多的光线汇聚于焦平面的优点。如3.1.1（a）、3.1.1（b）仿真图所示。图3.1.1（a） 普通凸透镜聚光光斑辐照度分析图图3.1.1（b） 菲涅耳透镜聚光光斑辐照度分析图3.1.2 光线偏移对聚光光斑的影响在聚光光伏中，聚光比的严格定义为聚光器表面积与最小光斑的面积之比，我们在希望光线和能量尽可能的集中的同时又希望光线和能量在电池表面均匀分布，我们可以想象到几十甚至是上千倍的聚光系统中入射光线的偏移会对光斑将有重大影响。那么这个影响有多大呢，以下是对入射光线与主光轴偏移角为 0 1情形的光学仿真。所采用的菲涅耳透镜尺寸为150mm150mm，厚度2mm，焦距为200mm，材料为常见且便宜的BK7光学玻璃，采用5mm5mm电池。达到透镜表面积的光通量为19.6221 W。偏移角为0时偏移角为0.1时偏移角为0.2时偏移角为0.3时偏移角为0.4时偏移角为0.5时偏移角为0.6时偏移角为0.7时偏移角为0.8时偏移角为0.9时偏移角为1时光线偏移角与电池表面辐照度间的关系可以用表3.1.2表达表3.1.2 光线偏移角与电池表面辐照度间的关系对比由此可见，1的光线的偏移造成电池效率几乎降为0，造成这种情况的原因是偏移后的光线经菲涅耳透镜折射后形成光斑也在偏移，据3.1.1节中的（1）式可知折射角u与h之间是对数关系，h变化越大，折射角u变化越大，在焦平面光斑的位移也就越大。这也正是聚光光伏系统对追日系统有很高的精度要求的原因。但是由于电机回转、齿轮等不可避免的机械误差导致光线偏移会超过1，为解决这个问题下面一节将介绍二次聚光和匀光技术。3.2 二次聚光及匀光技术3.2.1 二次聚光由于机械偏差导致的入射光线与受光面不垂直会直接影响电池表面光斑的辐射分布，而且由菲涅耳透镜直接折射汇聚后的光斑能量分布不均匀，这些问题都会直接影响电池的效率。而解决着一些问题的最佳途径就是二次聚光并将重新汇聚后的光线均匀照射在电池表面。光杯和光锥是最常用的二次聚光、匀光器件。光杯是由四面高反射材料构成的倒梯形装光学器件，如图3.2.1（a），其原理就是经菲涅耳透镜折射汇聚后的光线由倒梯形上方的宽面射入光杯，在高反射率材料之间经数次反射后均匀照射在电池表面。电池与光杯之间采用无缝隙粘附技术。图3.2.1（a） 光杯实物图光锥则是由高透过率的光学玻璃构成的实心倒梯形状光学器件，如图3.2.1（b）。其工作原理是经菲涅耳透镜折射汇聚后的光线射入光锥上方的宽面，在光锥内部经全反射均匀照射在电池表面。图3.2.1（b） 光锥实物图看上去光锥原理与光杯相比较大同小异，但事实上光锥的效果要好于光杯，其原因是光线在光杯内反射时是有能量损耗的，而在光锥内全反射没有能量损耗。并且进入光杯内的部分光线会被反射出来。以下将对光锥的二次聚光作用做详细的分析。图3.2.1（c） 光锥全反射光路图图3.2.1（c）所示为光锥的光路图，由折射定律和三角集合关系可得： （1） （2） （3）式中：n1 、n2分别为空气和二次聚光器材料的折射率。为了保证光能透过率需要使光线在侧壁全反射，根据全反射定律可知： （4） （5）综合式（1）（5）得： （6） （7）由公式(6)、(7)可确定入射角A1 和倾角D 的关系，从而对全反射式二次聚光器的设计提供理论依据。对于存在更多次全反射的情况，可以根据上述方法进行推导。而对于更复杂的三维聚光以及多波长聚光的情况，则需要结合光学设计软件的光线追迹来进行仿真设计。因此，在设计、安置时二者有一定的区别。例如，粘附有光杯的电池片在放置于模组时，电池片应处在菲涅耳透镜的焦距处。而粘附有光锥的电池片在安置在模组时，光锥的宽面应处在菲涅耳透镜的焦距处。3.2.2 匀光技术光锥是安装在菲涅耳透镜和太阳电池之间起连接作用的光学元件，上底面位于菲涅耳透镜的焦平面,下底面紧贴着太阳电池。为了不造成太阳电池的浪费，二次聚光器出射面的形状和大小要跟太阳电池一致。为了不造成光能量的浪费，它的入射面形状跟出射面形状一致，大小由菲涅耳透镜聚焦光斑的大小和跟踪系统的跟踪误差角度来决定。然后由理论分析的结果确定初始高度，再通过非成像光学光线追迹不断优化，直到太阳电池表面获得最高的理想光学效率和光斑强度分布均匀性。下面以一个实际仿真例子加以说明。为了获得宽光谱范围内的高透过率，采用了常见且廉价的BK7 光学玻璃，主聚光器采用菲涅耳透镜。设计对应的菲涅耳透镜口径为=350 mm，焦距f=300 mm，对于3601 800 nm 的光谱，其焦平面的光斑大小约为=10 mm。设计应用的是10 mm10 mm 的太阳电池，所以，二次聚光器下底面的边长y=10 mm。经计算可知，菲涅耳透镜聚光后入射到二次聚光器上底面的入射A1=arctan 170/300 30。为了放宽跟踪系统的跟踪容忍度，设光线的偏转角度为1，此时光斑偏移的位移大约为M=300tan15 mm， 为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边长x=+2M=20 mm。假设只发生两次全反射，则根据上节推导的公式(6)、(7)可得： 3+最后得到D取值为81。由图3.2.1（c）可知：32cm。把上面得到的初始结构导入到光学仿真软件TracePro中，进行非成像光学的光线追迹仿真，如图3.2.2（a）所示。图3.2.2（a） 二次聚光光路仿真图以太阳电池接收到的光能量和光斑强度分布均匀性为评价， 经过不断的仿真优化得到了全反射式二次聚光器的最佳结构，其上底面边长为20 mm、下底面边长为10 mm、高为39 mm。可以看出，最佳结构跟初始结构有些差别， 这是因为实际设计的是多波长的三维聚光全反射式二次聚光器， 并且全反射的次数可能有所差异。图3.2.2（b）为垂直入射时光斑辐射度仿真，图3.2.2（c）、图3.2.2（d）为光线偏移0.5和1时的辐照度分析图，由此可以看出二次聚光器件对菲涅耳透镜聚光光伏系统的重要性。图3.2.2（b） 偏移角为0时的电池表面辐照度分布图图3.2.2（c） 偏移角为0.5时的电池表面辐照度分布图图3.2.2（d） 偏移角为1时电池表面辐照度分布图由此得出，即便偏离角达到1时，电池仍能保持50%以上的工作效率。这使得对追日系统的机械精度要求降低了，间接的降低了系统成本。第四章 太阳能屋顶系统太阳能发电技术最初是应用在航天领域，后经技术的发展在民用领域发挥着越来越多的作用，其最重要的应用就是光伏电站和屋顶系统。据发达国家的统计，建筑耗能占到总耗能的30%40%，于是出现了通过屋顶系统对建筑经行供电的方法。该方法可以将最大程度的利用建筑所占空间内的太阳能经行发电，是节能减排、营造绿色社会的好方法。屋顶系统是将太阳能发电模组与建筑物有机结合，对建筑物内的用电负载供电的一种发电系统。在城市与农村，屋顶系统与医院、学校、工厂甚至是居民楼有机结合并网运作，在用电少的时间段通过太阳能对负载供电，多余的电能通过蓄电手段储存或者并入大电网。当用电高峰到来，屋顶系统无法满足负载用电需求时，通过大电网经行补充。所以，屋顶系统可以看作是一种小型的“光伏电站”。其组成部分有发电单元、逆变器、储能装置。发电单元，太阳能屋顶系统的发电单元即太阳能电池，目前国际、国内多用晶硅电池与薄膜电池，相信更高效率、成本更低的聚光光伏将在这一领域得到普及。发电单元可以安装在建筑的遮阳板、立面、坡屋顶和斜屋顶上。通过一定的设计接线盒、旁路二极管、连接线等隐藏在幕墙结构中，在做到节能减排、绿色发电的同时也保持建筑的外观效果。逆变器，这是一种电源转换装置，由于太阳能电池输出的电流是直流电不能被直接使用，所以需要用逆变器实现直流到交流的转变。其原理是整流器的逆过程。逆变器不只具有直交流变换功用，还具有最大限制地发扬太阳电池功能的功用和系统毛病维护功用。阳电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳电池组件本身温度（芯片温度）而转变的。别的因为太阳电池组件具有电压随电流增大而下降的特征，因而存在能获取最大功率的最大功率点。太阳辐射强度是转变着的，明显最大功率点也是在转变的。相关于这些转变，一直让太阳电池组件的任务点处于最大功率点，系统一直从太阳电池组件获取最大功率输出，这种节制就是最大功率跟踪节制。太阳能发电系统用的逆变器的最大特点就是包罗了最大功率点跟踪这一功用。储能装置，储能装置是将电池模组输出的直流电储存或是间接传送到逆变器的装置。根据其特性特性分类可分为功率型储能和能量型储能。前者功率密度高、响应 速度快、可进行频繁充放电, 如飞轮储能、超导储能、超 级电容器等；后者能量密度高、可进 行大规模能量储存,如抽水蓄 能、压缩空气、蓄电池储能等。聚光光伏模组以其较高的光电转换效率、较低的成本，待其产业化生产和大规模商业化后必将在这一领域占据主导作用。4.1 目前的屋顶系统目前，太阳能屋顶在国外的发达国家中得到较好的发展和普及，而在我国目前仍处于小规模试点工程阶段。这不仅得益于发达国家的先进技术还得益于积极的普及政策。在“京都协议”的推动下，1996年6月26日美国政府宣布实施“百万太阳能屋顶计划”，其目标是到2010年为止要在全美的住宅、学校、医院、商业机构和政府机关办公楼安装100万套太阳能装置。到2010为止，累计安装的光伏系统总容量为3025MW，通过大规模的应用促使了价格的下降，光伏发电成本有22美分/度将至7.7美分/度，并制造的7万余工作岗位。日本，从90年代初期就开始了“屋顶计划”，颁布了可再生能源配额法，目前装机量已超过5000MW，光伏屋顶系统的安装量近五年年增长率达96%，成为全球最大的光伏消费市场。1999年1月，德国政府在欧盟“百万太阳能屋顶计划”的框架下颁布了可再生能源法，保证了购买和使用光伏发电装置的居民和企业得到0.99德国马克的/度的价格返还。于2004年颁布可上网电价法，以3倍零售电价和8倍工业电价购买太阳能发电，这一法律极大的促进了人们对光伏发电的积极性。在我国，目前在太阳能屋顶系统仍处于示范性工程阶段，中规院在湖北鄂州、新疆吐鲁番等市建立了示范中心。随着我过光伏产业的发展，屋顶系统越来越收到重视，尤其是对解决偏远地区无电人口的问题上，将起到重要的作用。目前，太阳能屋顶在国外的发达国家中得到较好的发展和普及，而在我国目前仍处于小规模试点工程阶段。这不仅得益于发达国家的先进技术还得益于积极的普及政策。在“京都协议”的推动下，1996年6月26日美国政府宣布实施“百万太阳能屋顶计划”，其目标是到2010年为止要在全美的住宅、学校、医院、商业机构和政府机关办公楼安装100万套太阳能装置。到2010为止，累计安装的光伏系统总容量为3025MW，通过大规模的应用促使了价格的下降，光伏发电成本有22美分/度将至7.7美分/度，并制造的7万余工作岗位。日本，从90年