徐熙平，姜胜楠

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

随着化石能源的不断开采利用，目前太阳能光伏发电受到了国内外研究人员高度的关注，被认为是清洁能源中应用最广泛、技术最为成熟的技术之一［1-3］。光电池经过几代的发展，也已经逐渐成熟。聚光光伏发电技术是利用太阳能聚光热效应，将光能通过光电池转化为电能，大大缩小了光电池的采光面积，提高了太阳能的能流密度和光电转化效率。

在聚光光伏发电技术（Concentrator Photovoltaics，CPV）中，太阳射线通过聚光模块最后集中在相对较小的光电池上，从而可以达到节约材料的目的［4，5］。通常，此系统可以按照聚光比大小分为两类：聚光比大于300的高聚光比聚光光伏系统和聚光比在1～300之间的低聚光光伏系统。多结光电池在中低聚光光伏系统中，其转化效率并没有达到一个峰值。高聚光比聚光光伏系统是利用光线点聚焦原理的聚光器作为太阳射线收集和传播的模块，而中低聚光比聚光光伏系统是将光线汇聚到光电池呈线性分布的单轴上，从材料成本和转化效率看，两者各有利弊，高聚光比聚光光伏系统成本高，转换效率高，中低聚光比光伏系统成本低，转换效率低。截止2018年底，以高聚光比聚光光伏系统（361 MW）为主的聚光器已累计装机容量387 MW，目前已全部安装完毕。然而中低聚光光伏系统并没有进行一个商业的量产，存在着一定限制因素。因此，将重点介绍聚光光伏系统的发展现状和各个模块组成原理，用以说明如何能有效地提高光学效率和聚光比。

1 聚光光伏系统的研究现状

图1 商业化的聚光光伏发电系统

1996年，Gordon等提出了二阶线聚焦反射型聚光系统的设计［6］，如图2所示，该聚光系统由一面一次聚光抛物线反射镜和二次聚光V型槽组成，其中抛物线反射镜焦距为1 490 mm，反射镜开口宽度为2 470 mm；二次聚光V型槽深度为72 mm，出光口宽度为176 mm；光电池宽度为33 mm。利用该聚光系统能够在50～100聚光比条件下获得较高的聚光效率和能流密度分布。随着光电池的研究发展，2007年，西班牙Abengoa Solar公司建成了世界上首座塔式太阳能并网发电系统PS10太阳能热发电站［7］，站中配备624片追日镜，峰值功率11 MW。随后，Abengoa Solar公司对该发电站进行了扩建，于2009年建成PS20太阳能热发电站，成为当时世界最大的太阳能发电站。2016年，由于多结太阳能光电池的大规模应用，聚光光伏发电技术发生了突破性的进展，从而推动了高聚光比聚光光伏系统的研究发展［8］。实验表明，多结太阳能光电池的转化效率在系统聚光比低于508的情况下可以达到46%。

图2 二阶线聚焦反射型聚光系统

在聚光光伏发电技术中，菲涅尔透镜的开发利用起着关键性的作用。1979年，马德里理工大学的Sala发表了一篇论文［9］，提出了一种利用较薄的硅树脂层制作出来的菲涅尔透镜，实验表明，该透镜可以与光波导板配合使用。2000年，O’Neill设计了Fresnel透射型聚光系统，该聚光系统具有较高的聚光效率，结构也更为轻量化［10］。这就让菲涅尔透镜在聚光光伏领域得到了广阔的市场。2014年，于春岩等设计了一种透射式双面菲涅耳聚光镜［11］，如图3所示。结果表明，光线在前后表面的光能损失大大减少；该系统与相同口径和相同焦距的传统菲涅耳透镜相比，聚光效率提高了21.1%。

图3 双耳菲涅尔结构模型图

碟式聚光器是点聚焦反射型聚光器常见结构之一。1992年，Jorgensen和Wendelin提出了多阶碟式太阳能聚光器的设计［12］，该聚光器聚光比可达100-200，聚光光斑在正方形接收平面上能够均匀分布。2017年，王进军等人针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差的问题［13］，设计了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜，如图4所示。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形，聚光均匀度高达90%以上。

图4 多碟共焦太阳能聚光器模型

对于塔式太阳能聚光系统而言，其原理是将由定日镜收集的光线反射到中心高塔的接收端（光电池），完成光电转换。如图5所示，国内首座塔式太阳能热发电系统于2006年在南京江宁建成［14］。经过十几年的发展，目前并网发电的规模化储能塔式光热电站——中控德令哈10 MW塔式光热电站也已经投入运营，该发电站完全采用中控太阳能公司自主创新的技术及国产化装备。

图5 中控德令哈10MW塔式光热电站

此外，美国太阳能厂SolarReserve在2016年提出了SandStone计划，其核心内容是花费约50亿美元在内华达州打造号称全球最大的太阳能发电站，并全天提供超过百万户的民生用电［15］。该发电站中的太阳能聚光器拟采用多塔式太阳能聚光系统，利用超过10万片追日镜将收集到的太阳光线反射至高塔中，通过塔中的熔盐能量储存系统将水煮沸，推动气涡轮转动。

图6 美国Ivanpah塔式太阳能发电站

随着市场中对太阳能光线的追踪精度要求越来越高，聚光器与跟踪轴的配合使用是必然趋势。跟踪轴分为单轴和双轴系统［16］，其中单轴跟踪器属于季节性追踪系统；而双轴跟踪系统是根据全年太阳的运行方式，不断地变化聚光器的光线接受角度，尽可能地以最高的光学效率完成光电转换，然而相对于单轴跟踪器其成本略高［17］。2014年，Teng等提出了一个创新性的复合跟踪轴，该结构分为一个机械单轴追踪器和一组可传动棱镜片［18］，如图7所示。实验表明，可传动棱镜组可以校正由于太阳运行造成的聚光器接收角度的误差。

图7 复合跟踪轴结构示意图

2 聚光器中的组件及具体设计要求

2.1 聚光模块中主要的光学特性

光学效率ηopt作为聚光器系统中最重要的性能参数，它可以通过最终传输到光电池上的能量功率（Pflux,cell）与开始时聚光器收集到总的太阳射线能量功率（Paperture）的比值来计算得出：

光线在聚光器传播的过程中，引起能量功率减小的原因主要是光学透镜中存在的菲涅尔损耗，其包括了透镜材料的吸收损耗、透镜对入射到表面的光线反射损耗和由于菲涅尔透镜形状和结构不均匀造成的散射损耗。此外，也需要考虑在透射系统中不可避免的色散损耗。不单单是在透镜中发生的光线能量损耗，在实际加工装配的过程中，系统的配置公差对光线能量的影响也是相对较大，比如光电池位置摆放和集热器对光线的部分遮挡（卡塞格林系统中二次双曲面元件对入射光线的遮挡）。在实际的应用中，考虑到风阻和天气的影响，通常都会利用一层可透射的玻璃层作为保护元件，这样就会导致光线进一步的反射损耗。如图8所示，聚光模块中的具体参数对光学设计标准影响较大。其中，焦距f决定着模块的高度，半角θ决定着光线的接受面积和光线在其中发射时的传播角度，这对于提高光学效率和控制系统的体积大小有着重要的意义。

教学中把培养和发展学生的应用能力放在首位，抓住课程教学的四要素，即从教学目标、教学内容、教学方法和评价方法等方面进行课程教学模式改革，实现教师的教学观念、方法和学生的学习观念、方法的转变.

图8 基于菲涅尔透镜的聚光器原理图

聚光器中另一个重要的系统参数是聚光比Cgeo，其定义为太阳光线入射到聚光器上表面的面积Aaperture与光电池上光线最后照射的面积Acell,des的比值。

对于平板型光波导板太阳能聚光器的几何聚光比可以简化为光波导板的长度与宽度的比值。聚光光伏系统中的光线接受角度α是决定着市场发展的主要因素，角度越大，说明系统的公差范围越高，潜在的市场前景也会相对较大。α被定义为聚光模块可以向着太阳的方向移动的角度。想要获得最大的转化能量，就要使聚光模块时刻精确地对准太阳。利用几何聚光比和接受角度可以得到一个综合评价标准—聚光接受因子（CAP）［18］，可由如下公式表示：

进一步地，根据热力学守恒定律［20］，可以得到：

式中，θin和θout分别为输入（光源）与输出（被收集的光线）光束的最大角度；nin和nout分别为输入介质（空气）和输出介质（位于聚光模块和光电池之间）的折射率［21］。

上述的光学特性在所有种类的聚光系统中都是需要考虑的，光伏聚光器按照光线的传播原理一般可分为成像光学系统和非成像光学系统。成像聚光光伏系统是利用点聚焦的原理，将光线会聚到光电池上，形成一个较小的光斑，可以利用科勒照明系统将光斑按照光电池的尺寸重新分布［22］，使得光线可以均匀分布，减少色差的影响。在成像系统中，一般可以使用非球面透镜（包括菲涅尔透镜）和抛物面反射镜。非成像聚光光伏系统则不能形成一个较小的光斑，而是将光线以最大的能量转递，这使得光线的发散角度更大，同时对系统的光传导结构设计参数要求较高。在设计非成像聚光光学元件时，需要保证最后的边缘光线可以照射在光电池的边缘［23］，这样就使得其他光线都可以照射在光电池的表面，而不发生漏光现象。非成像系统中，可以通过全内反射传播光线，比如复合抛物面聚光器（CPC）等。

2.2 一级聚光光学模块（POE）

一级聚光光学模块可分为反射镜光学元件和透镜光学元件。在一定波长的范围内，反射镜的光谱反射率较高，不会产生色差，因此可以获得较高的光学效率。如图9所示，给出了不同材料的表面光谱反射率的测量结果，并与标准的太阳参考光谱进行了比较。则可以发现，镀银反射镜的光谱反射率为94.6%，其光学性能最佳，由于考虑到成本的问题，一般使用铝涂层反射镜（光谱反射率为90.2%）［24］，实验表明，其市场应用价值最大。

图9 多种材料的光谱反射率比较示意图

具有消色差性质的点聚焦光学系统可以分为共轴系统和卡塞格林系统（非对称）［25-27］。经典的卡塞格林系统由抛物面反射镜和双曲面反射镜组合而成，其原理是将光线经过两次反射，聚焦到双曲面镜的一个焦点上，同时在该焦点处放置小型光电池。整体的体积减小，光学效率提高，但是双曲面镜对入射光线的遮挡造成一定的光学损失。因此目前需要考虑的问题是如何将双曲面镜的体积减小同时也能满足光线的有效会聚。在碟式聚光器和塔式聚光器中，通常使用大型的反射镜，其面积大约在1～400 m2左右［28］，反射镜的面型分别为抛物面和平面。从机械稳定性的方面来看，塔式聚光器中的定日镜面积相对较小，稳定性较高；跟踪轴的电源可以与发电塔内部电路相连，从而减少了自身电机的数量和系统的重量。Lasich等提出了一种可以独立控制的定日镜，虽然加大了成本的花费，但提高了发电功率和光学效率，实验表明，集热塔的发电功率一般可在百瓦或兆瓦级别［29］。

利用若干个透镜可以组成一级聚光光学元件，通常每个透镜单元面积在4～1 000 cm2之间［30］，然后根据实际需要将透镜进行阵列并拼接。需要考虑选择成本低、透射率高和组合结构稳定的透镜，这样才能在市场中大规模使用。因此，利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料制造的菲涅尔透镜得到了广泛的关注，然而，在实际制造中，刻槽的加工仍然是一个需要克服的难题。如图9所示，PMMA在1 125 nm波段之内，可以保持与二氧化硅玻璃相似的光谱透射率；其后波段的范围内，透过率虽然出现下降，但这一点对于多结光电池中的电流产生机制是有益的。

图10 硅质玻璃与PMMA的光谱透射率对比图

透镜需要考虑的缺点之一是由于不同波长的光线发生的偏折角度不同而引起的色差损耗，另外材料的折射率会随着温度的变化而变化。因此必须将这两种影响作为一个整体来考虑：色差引起的焦点光斑分离同时随着温度的变化引起的各个波段光线的焦距改变。Languy等提出了一种由PMMA和聚碳酸酯（PC）的复合材料制成的消色差菲涅尔透镜［31］。Vallerotto等提出了另一种消色差菲涅耳透镜结构，该结构将PMMA层覆盖到由硅酮或乙烯-醋酸乙烯酯制成的玻璃板上。

2.3 二级聚光光学模块

在聚光光伏系统中，引入二级聚光光学模块可以提高光通量分布密度、光线接受角、光学效率。二级聚光光学模块的加入不仅可以将聚光比提高到300～1 000，最重要的是其保证了聚光器与光电池的顺利耦合，提高了系统的加工公差。光线正常经过一次聚光之后，会聚在光电池上会发生光学色散现象并会在其随意区域上将温度提高，这无疑会缩短光电池的使用寿命。光线经过二级聚光光伏模块处理之后，将会改善光束质量，让光电池表面可以均匀地被光斑照射。

反射型的二级聚光光学模块可以呈锥形，可以根据光电池的面积调整锥形的截面位置。通常，其不会被放在会聚光斑的过程中，以避免造成过大的光学损失。折射型二级聚光光学模块有着相对反射型元件更高的聚光比和光线接收，Menard等提出了一种球形透镜，这种透镜可以增加接收角，使光通量分布均匀，并由于其形状规则，所以更加易于制造。

采用反射或折射复合抛物面聚光器（CPC）可以最大程度地提高聚光比。Helmers等提出了一个由密集阵列元件组成的反射型CPC的模型，该模型可用于将光电池上的光通量分布均匀。由于光通量强度不同会导致光电池中激发电流不同，因此需要利用CPC实现均匀照明。Victoria等对可反射的圆锥面透镜、锥体透镜、CPC和圆形透镜的光学性能进行了对比分析。结果表明，无论选择哪种光学实体，其光学性能都由光学系统的实际需求和自身的材料所决定。

3 结语

聚光光伏发电技术发展了30多年，已经可以在一些太阳能资源丰富的地区使用。不断地去研究新型高效的聚光模块，使得光伏行业的市场前景更加广阔，在以后的能源利用中，将会占据主导地位。随着光电池的技术不断更新发展，其成本将会大大降低，行业将会迎来大规模地发展。然而，如何降低总体成本、提高系统的耐受性和提高系统总体的光学性能仍是今后所要研究的主要方向。