卞 之，王红晨，邢诒存，李联军

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

二次反射聚光装置光电特性的实验研究

卞 之，王红晨，邢诒存，李联军

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

自行设计研制了折平面二次反射聚光光伏装置，该装置特点是，平面反射，电池板上光照强度均匀；光伏单元纵向首尾相接，反射叠加可抵减余弦效应；固定安装定期方向调节，无转动部件，抗台风能力强；一次反射和二次反射背板背背相靠，节约占地面积.其光伏输出特性实验研究表明，二次反射聚光发电装置比无反射常规固定安装电池板，光电输出功率提高66.2%，成本降低32.1%.

平面镜二次反射；光伏发电；聚光装置

聚光光伏系统汇聚光能，提高发电效率，降低成本，已成为当前重要研究课题.光伏电池可以承受更高的光强，发出的电流成比例增加而又不至于影响光伏电池寿命.聚光系统可极大地减少昂贵的光伏电池使用量，降低成本，从而进一步提高太阳能的综合利用效率.

本文基于光学基本理论及光伏发电受光辐射密度及其均匀性影响较大特点，设计制作了折平板玻璃二次反射聚光伏装置.该装置的特点是用一些特定的位置点定位，对每一块玻璃镜来说反射后所形成的太阳影像大小位置都是相同的，因此总体叠加得到的能流密度、光强分布也是均匀的.

1 二次反射聚光发电实验装置

1.1 实验装置结构

折平面聚光发电实验装置主要由光伏电池板、按预定角度分列于光伏电池板两侧并与光伏电池板形成平底槽形的一次反射玻璃镜、成V形折平面的二次反射玻璃镜、镜面高度和角度可调节的定位调节机构和支架等几部分组成.光伏电池板的总体尺寸长×宽=128 cm×34 cm；左、右支架底角总尺寸分别为长×宽=128 cm×90 cm、长×宽=128 cm×60 cm.一次反射镜面和二次反射镜面尺寸均为长×宽=128 cm×38 cm，其中4 cm宽度用于抵消边缘辐射密度降低预留的富余量，这种设计考虑了太阳光不平行度的影响，反射面边缘存在约为0.5%[1]的损失.光伏电池板与上面一次反射镜的夹角为168°，与下镜面一次反射镜的夹角为225°.两块二次反射平面镜的夹角为68°.一次反射镜和二次反射镜底边之间的水平距离为50 cm，电池板固定支架高度分别为85 cm和100 cm，二次反射固定支架90 cm，支架底角各杆间距约30 cm.一次反射镜和二次反射镜通过铰支轴铰支在支架上，铰支轴下部固连在支架上.一次反射镜可通过与光伏板连接的转轴转动，二次反射镜通过两镜面之间的转轴转动.反射镜采用全光谱反射玻璃镜.折平面聚光发电装置横断面示意图见图1.

图1 折平面二次反射聚光发电装置横断面示意图Fig.1 Schematic diagram of refracting plane secondary reflection light concentrating Photovoltaic device

1.2 光伏电池的安装倾角

该系统的运行不需要随时跟踪太阳，只需按季节定期进行方位调整，其安装倾角按使太阳直射被限制在士5°范围内来确定.设想该系统为全年负荷均衡分布的独立光伏发电系统，在确定相对固定的光伏接收面的最佳倾角时综合考虑了接收面上太阳辐射密度的连续性、均匀性.以夏季接收面上所接收到的平均日辐射量[2]为依据，结合资料[3-5]提出的光伏方阵的倾角等于当地纬度或当地纬度加上5°～15°工程上的经验数值，以及海口地区纬度20°1′，确定光伏接面的安装倾角为25°.

2 发电装置电输出特性实验研究

2.1 实验内容

1）使用照度计（PHOTO-100，虹谱光电科技有限公司）测量以下两种情况下的辐射强度：太阳光直接照射光伏电池板的辐射强度和叠加二次反射到电池板的聚光辐射强度.

2）利用万能表（DT8308，漳州安培德电子制造有限分司）测量光直接照射电池板和聚光以后两种情况下的电流、电压等电输出特性参数数据.

数据采集时间间隔为30 min.

2.2 实验数据及能效分析

通过实验测得一个单元的有反射和无反射光伏发电装置的电流、电压等光电输出特性参数数据及光照照度数据，见表1.

表1中的电流、电压等光电输出特性参数和照度的实验数据分别绘于图2和图3，横轴为时间测点，纵轴为电流和电压和照度.

由图2可见，有无光照反射，电压几乎不变，有反射比无反射电流有较大的增量，线形平直几乎不随时间变化，没有余弦效应；由图3可知有反射比无反射太阳光照度有较大的增量，变化规律相同.

实验数据表明，同一块50 W的电池板，折平面二次反射聚光光伏发电装置发电83.29 W，比无反射常规固定安装电池板（50 W）的光电输出功率提高66.2%.

表1 电流、电压及照度实测数据Tab.1Measured Current,Voltage and ilumination Intensity

图2 电流、电压随时间变化图Fig.2 Diagram of Measured Current and Voltage Varying with Time

图3 照度随时间变化图Fig.3 Diagram of ilumination Intensity Varying with Time

3 成本分析

折平面二次反射聚光光伏发电装置和无反射固定安装光伏电池板两种光伏系统成本投入见表2、表3.

表2 折平面二次反射聚光光伏发电装置成本Tab.2 Cost of the refracting plane secondary reflection light concentrating photovoltaic device

同一块50 W的光伏电池板，增加折平面二次反射聚光机构的光伏发电装置成本投入914.4元，输出功率83.29 W，平均成本11.0元/W，无反射常规固定安装电池光伏装置成本投入808.5元，输出功率50 W，平均成本16.2元/W，有反射比无反射成本下降32.1%.

表3 无反射常规固定安装电池板光伏发电装置成本Tab.3 Cost of the conventionally-fixed solar panels photovoltaic device without reflection

连续5d在类似的天气气象条件下实验，获得的光伏特性参数实验数据、图表走势、变化规律相同.文中所列图表具有代表性.

4 结论

基于等光强分布的基本设想和几何光学理论，设计制作的折平面二次反射聚光装置，通过分析测试和实验研究得出以下结论：

1）光伏电池板上平面二次反射太阳光辐射密度均匀分布；上午和下午太阳光倾斜时，在电池阵列纵向反射光叠加，辐射密度得到提升，抵减电池板上辐射余玄效应.

2）折平面二次反射聚光光伏发电装置比无反射常规固定安装电池板的光电输出功率提高66.2%；成本下降32.1%.

3）聚光装置一次反射与二次反射背板背背相靠安装，与一次反射和二次反射独立安装相比，节约占地面积约50%；折平面二次反射聚光光伏发电装置固定安装，定期方向调节，无需时时跟踪，结构简单，无转动部件，抗台风能力强.

[1]江守利.反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究[D].合肥:中国科学技术大学,2009.

[2]杨金焕.固定式光伏方阵最佳倾角的分析[J].太阳能学报,1992,13(1):86-92.

[3]李安定.太阳能光伏发电工程[M].北京:北京工业大学出版社,2001.

[4]罗运俊,何梓年,王长桂.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]沈辉,曾祖群.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

Experimental Study on Photoelectric Characteristics of the Secondary Reflection Light Concentrating Device

BIAN Zhi，WANG Hongchen，XING Yicun，LI Lianjun
（College of Physical and Electrical Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China）

We self-designed and developed a refracting plane secondary reflection light concentrating photovoltaic de⁃vice,the characteristics of which include:planar reflection,with uniform illumination intensity on solar panels;the photo⁃voltaic units are vertically connected end to end,and the reflection stack can deplete the cosine effect;the periodic direc⁃tion regulating unit is fixed without moving parts,so the anti-typhoon capability is strong;the back panels for the prima⁃ry reflection and the second reflection lean against each other back to back,saving the floor area.The experimental study on the photovoltaic output characteristics shows that:compared with the conventionally-fixed solar panels without reflec⁃tion,the photoelectric output power of the secondary reflection concentrating power generation device is improved by 66.2%,and the cost is reduced by 32.1%.

diagonal second reflection；photovoltaic；focusing device

TK 514

A

1674-4942（2011）04-0400-03

2011-10-17

海南省重点科技计划项目（ZDXM20100069）

黄 澜