焦点均匀分布式菲涅尔太阳能聚光器设计及性能分析

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：113016焦点均匀分布式菲涅尔太阳能聚光器设计及性能分析姚家伟1，罗小兵1,2（华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074）(华中科技大学武汉光电国家实验室MOEMS研究部，武汉，430074)Tel:13971460283Email:Luoxb@mail.hust.edu.cn摘要在聚光型太阳能热电发电系统或光伏发电系统中，不均匀性的聚光光斑不仅影响系统效率，而且会损坏发电模块。本文根据非成像光学原理，介绍了一种基于焦点均匀分布式的菲涅尔聚光器

2、的设计方法，并与传统的共焦点设计方法进行了对比分析。结果表明，使用焦点均匀分布式设计方法可以有效改善聚光光斑的辐照度均匀度和能量透过率，有利于提高设备整体效率和可靠性。关键词菲涅尔聚光器；焦点均匀分布；聚光光斑；光学仿真0前言太阳能是可再生能源中分布最广泛、取用最方便、储量最丰富的一种能源，如果能够充分利用太阳能，可以大大缓解人类的能源危机。但是由于太阳能的能量密度小，一般将太阳能用于光伏发电或热电发电时需要加装太阳能聚光器。菲涅尔太阳能聚光器是目前广泛应用的一种太阳能聚光器，与传统的聚光器相比，其结

3、构更加简单、体积更加轻和薄，并且方便制造。菲涅尔透镜由法国物理学家AugustinJeanFresnel在1822年首次提出。目前，菲涅尔透镜作为一种太阳能聚光器越来越受到重视，国内外很多研究机构和个人从聚光器透镜材料的光学性能、镜面的棱型结构和焦点的位置等角度对其进行了研究。PabloBenitez等人[1]提出了一种基于菲涅尔聚光透镜的高效光伏系统，其研究结果显示：结合了自由曲面透镜的菲涅尔太阳能聚光器有更加可靠、性能更加优越以及更适合实际制造等优点。Wagner等人[2,3]提出采用菲涅尔透镜进

4、行太阳光谱分离研究，预计可以设计出效率超过50%的聚光型光伏发电系统。M.Kusko等人[4]提出了一种基于刻蚀技术的菲涅尔透镜的设计方法和制造技术，其研究结果表明：刻蚀技术可以制造出结构更加复杂、性能更加优越的菲涅尔聚光器。国内对菲涅尔聚光器也有很多研究，郭孝武[5]对太阳能利用中的几种菲涅尔透镜进行了对比分析，推导出了统一的设计公式。吴贺利等人[6]研究了几种多焦点的菲涅尔透镜，其研究结果表明：多焦点的菲涅尔聚光器可以实现比较均匀的聚光光斑。李望等人[7]研究了基于折射带的分布式多焦点的菲涅尔聚光

5、器，其研究表明：该种聚光器相比于传统共焦法设计的菲涅尔聚光器可以显著改善聚光光斑的均匀度。本文基于菲涅尔透镜的设计原理，介绍了一种焦点均匀分布的菲涅尔聚光器的设计理念，提出了改善聚光光斑辐照度均匀度的方法，提高了聚光型太阳能光伏或热电发电系统的整体效率。1设计分析太阳能聚光器的性能主要由聚光比、能量透过率和聚光光斑的均匀度三个参数衡量。1.1聚光比聚光比为透镜的采光面积与系统接收聚光光斑的面积之比，是太阳能聚光器设计时首先要考虑的参数。计算公式如下：（1）式中：C为聚光比；为透镜的采光面积；为系统接收

6、聚光光斑的面积。1.2能量透过率作为聚光型太阳能发电系统中阳光入射后首先接触到的部件，聚光器的能量透过率对于整个系统的效率有着很重要的影响。能量透过率是指系统接收面所接收到的聚光光斑能量与入射透镜的阳光能量之比。影响能量透过率的主要因素有：透镜材料对于光的吸收，透镜表面对于光线的反射与散射，以及透镜棱的非工作面干扰而造成的能量损失。菲涅尔透镜的结构如图1所示，GL为棱宽，GH为棱高，为工作面倾角，为非工作面倾角，F为焦点。当入射光线经过工作面以后会聚集在透镜的焦点F处，而经过非工作后，光线的位置无法确

7、定会损失掉。设计时，将非工作面的倾角取为90度，就可以避免非工作面对于能量透过率的影响，但是这样会增加了制造的成本和难度。工作面倾角对于能量透过率也有很大的影响，过大的角会使太阳光的入射工作面后的反射光增加、折射光减少，降低能量透过率，甚至产生全反射现象，使透镜失效。基于传统共焦法设计的菲涅尔透镜，常常存在边缘楞的工作面倾角过大，太阳光入射透镜之后反射光所占的比例较大，能量透过率较低。图1菲涅尔聚光器局部结构图1.3聚光光斑的均匀度聚光光斑的均匀度是衡量太阳能聚光器性能的一个很重要的指标，但是目前大部

8、分根据非成像理论设计的聚光器都不能达到均匀度很好的聚光光斑。不均匀的聚光光斑会对发电系统的性能产生很大的影响：在聚光型光伏发电系统中，聚光光斑的不均匀性会加重光伏电池模组内的串联电阻的焦耳能量损失效应，降低光伏电池的光电转换效率，并且局部光斑能量过高会损坏光伏电池模组；在聚光型热电发电系统中，聚光光斑的不均匀性会造成热端板的温度不均匀，使整体扩散热阻增加，影响系统整体效率，并且局部的高温也会损坏热电模块。因此，提高聚光光斑的均匀度很重要。根据非成像光学，