太陽聚光器

指把分散的太陽光利用光學原理聚集到一個較小的面積上同時增強了太陽光的能量密度的設備。

基本介紹

• 中文名：太陽聚光器
• 外文名：Solar concentrator 
• 領域：太陽能利用

介紹

太陽聚光器是聚光系統的主要組成部分，也是聚光太陽能電池研究的關鍵技術之一，研製太陽能利用中的聚光器對提高太陽能電池的轉換效率具有重大意義。雖然目前聚光光伏系統還存在一些關鍵的科學技術問題沒有得到完全解決，但各國光伏工作者也在不斷地以實驗結果驗證聚光技術。

聚光器套用於太陽能電池的嘗試開始於20世紀60年代初，為了不斷降低矽太陽能電池的成本，人們對聚光器在太陽能電池上的套用進行了廣泛的研究。

聚光比

聚光器提高光能密度的倍數稱為聚光比，它是標誌聚光器性能的重要參數。能量密度聚光比用吸收器吸收的平均能量密度和入射能量密度之比表示。當光學系統比較理想，中途沒有能量損失，也可以用幾何聚光比來表示聚光的程度，即聚光器接收太陽輻射的開口面積與吸收器吸收光能的表面積之比。理想狀況下，能量密度聚光比與幾何聚光比相等。實際情況下，前者比後者小。

聚光器分類

根據聚焦特性，聚光器可分為點聚光器和線聚光器。線聚光器，包括條形透鏡、拋物槽、線聚光組合拋物面等。點聚光器也叫軸向聚光器，在這類聚光器中，用以聚光的透鏡或反射鏡和太陽能電池處於同一條光學軸線上。不同的聚光器套用於太陽能電池聚光系統中具有各自不同的特點。
根據光學原理可分為：折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、熱光伏聚光器、螢光聚光器、全息聚光器等。其中混合聚光器利用折射、反射和內部反射達到聚光。

熱光伏聚光器工作原理是：太陽把輻射器加熱到高溫，完成光熱轉換，輻射器再發出輻射到太陽能電池上，電池不能利用的長波輻射重新回到輻射器，完成光電轉換，理論上可以達到很高的效率。螢光聚光器和光導纖維聚光器是兩種尚未成熟的技術。反射聚光器包括平板、拋物槽、組合拋物面等，用在光伏反射聚光器中兩種主要反射鏡材料是鍍銀玻璃和鍍鋁面。折射聚光器的元件可以是菲涅爾或普通透鏡。

反射式聚光器

①槽式平面鏡聚光器。槽式平面鏡聚光器是用平面鏡以適當的角度構成槽壁，在槽底放置太陽能電池，這是一種較易製作的反射式聚光器，只需用普通的平面鏡即可，它對跟蹤要求低，可採用常規電池，聚光倍數也低，只有2-6倍。還有一種方法，即太陽能電池方陣的V型槽式安裝法，用普通水泥牆壁作反射體，在適當的安放角度下，可使方陣的輸出提高20%左右。
②組合平面鏡反射器。組合平面鏡反射器是採用許多平面鏡把陽光反射到一個共同的目標上，在目標上安放吸收器，取得高溫和高光強。這種聚光器是在大面積範圍鋪設平面鏡，可以高倍聚光得到很大的功率和極高溫度，屬於“塔式太陽能電站”。這種聚光器占地面積極大，僅能在山地或荒地建立。
③雙曲面聚光器。雙曲面與拋物面一樣，即也具有一個共同的焦點，當一束陽光平行入射，雙曲面反射聚光器將其會聚成一個光點，如果反射面做成正確的雙曲拋物面，則聚光倍數可達1000倍。但這種聚光器加工難度較大，外形要求嚴格，跟蹤要求也高，一般使用在水平較高的系統中。太陽光被會聚到太陽能電池上。傘式太陽灶是這種聚光器的一種近似結構，一般是在近似雙曲拋物面的襯底上，貼上許多小塊平面鏡。
④拋物面聚光器，拋物面反射鏡是能將平行於鏡面光軸的光線會聚於焦點的鏡面。因此，當太陽光投向一拋物面反射鏡表面時，在其焦點處可形成能量密度極高的會聚光斑，這就是拋物面聚光器用於太陽能聚光的光學原理。在槽形拋物面反射鏡中，接收器可為圓管或條形平板，聚焦旋轉拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板。現以槽形拋物面反射鏡為例來分析拋物面反射鏡的聚光性能，因為套用在聚光太陽能電池中，接收器為條形平板。

⑤複合拋物面（CPC）聚光器。複合拋物面聚光器，是由兩片槽形拋物面反射鏡以及底部的接收器構成。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤裝置，只需要根據季節變化作少量傾斜度的調整。

折射式聚光器

折射式聚光器是利用光在不同介質的界面發生折射的原理製成的透射式聚光器。這類聚光器的典型例子是凸透鏡，但是，在太陽能利用中，如用大型凸透鏡聚光，其中心部分很厚。比如，要得到一個焦距等於50cm，口徑為50cm的透鏡，就需要一個厚度為25cm的玻璃半球。這種笨重的透鏡實際上是無法使用的，因此，在聚光太陽能電池方陣中，絕大部分採用菲涅爾透鏡。
菲涅爾透鏡，實際上是對球面透鏡進行微分切割，取出對光學折射無作用的部分而成。為加工方便，還進行了整平，使球面透鏡變成一個帶有同心楞狀條紋的平板，大大降低了重量和體積。菲涅爾透鏡也可以做成線聚焦的，這種透鏡是由一系列對稱分布的平行楞狀條紋組成。與傳統的光學玻璃透鏡相比，將菲涅爾透鏡用於太陽能電池聚光有很多優點。