聚光组件的设计

聚光比大于100倍时即被认为是高倍聚光，现在聚光比可以达到几千倍。高效硅电池可以用于聚光比高达250倍的聚光系统，而Ⅲ-Ⅴ族太阳电池可以用于具有更高聚光比(可达上千倍)的聚光系统。近年来，硅材料的短缺导致晶硅组件价格上涨，这影响了光伏系统成本的进一步降低。高倍聚光光伏为太阳能光伏作为独立能源的应用提供了另外一种途径。然而，太阳电池仅影响聚光系统峰值功率特性的一个方面。在聚光器的光学效率较高和散热有效的情况下，组件的设计应该简便以确保更低的制造成本。此外，聚光组件长期的运行能力也是至关重要的。

由小截光面积子组件组成的聚光光伏组件的优势如下。

(1)小面积(1～2 mm2)太阳电池具有较低的欧姆损失。

(2)无须考虑电池和散热器不同材料间的热膨胀系数的不同。

(3)降低了组件的厚度(能降低到几个厘米)。

(4)减少了像差给电池操作带来的负面影响(对折射聚光器而言)。

(5)减少了组件框架和散热器材料的使用。

(6)为生产电子元件开发的高产的组装方法应用到光伏组件成为可能。

对于具有小截光面积的子组件，可以使用稳定性好且价格便宜的硅酸盐玻璃以及相对较薄的散热器材料(铜或钢铁)。尽管玻璃的导热性能较差，但是其废热可以像无聚光器的平板光伏组件一样散发到周围的空气中。玻璃良好的绝缘性能允许电池以任何结构形式的电路来连接，保证了整体组件在电性能方面的安全性。甚至组件框架的四周也可以用玻璃制作，事实证明这种“全玻璃”式组件的设计是合理的。

8.2.1　聚光器

聚光器的长期稳定性是需要解决的问题。对折射聚光器(菲涅尔透镜)而言，其发展趋势是使用在各种环境中均更稳定的聚合物来代替传统的丙烯酸树脂材料。Ioffe的研究小组正致力于对复合结构菲涅尔透镜的研究，在这种结构中，组件前表面的硅酸盐玻璃片作为与内部透明硅树脂一体的菲涅尔微棱镜的覆盖物，主体为透明、硅树脂，前表面覆盖了一层硅酸盐玻璃。微棱镜本身则由硅树脂的化合物通过使用相反型模具直接在玻璃上聚合形成。这种方法的优点主要是:硅树脂具有较高的抗紫外能力，卓越的耐热冲击性、耐高/低温特性以及其在硅酸盐玻璃表面上具有良好的黏结特性。与正常厚度的丙烯酸菲涅尔透镜相比，平均厚度更小的棱镜保证了更低的太阳光吸收(见图8.2)。

图8.2　模拟复合菲涅尔透镜的玻璃－硅胶结构样品的光学透过率，并与传统的丙烯酸树脂菲涅尔透镜的透过率进行比较

图8.3给出了采用复合结构菲涅尔透镜的聚光器子组件的光学示意。图8.3(a)所示的方案由于具有最小的反射损失从而保证了系统的最高光学效率，但是也意味着组件框架作为一个整体需要很好的密封，或者电池需有特殊的保护以免受到环境的影响。热量的散失通过后面的玻璃板来完成。在图8.3(b)和图8.3(c)中，电池安装在一个置于背玻璃板上的槽形散热片上。在这种方案中，热量直接散失到环境中，背玻璃板起到保护组件中所有电池的作用。组件框架本身有空气通道以平衡外部/内部压力，并排出冷凝水。在图8.3(b)中，背玻璃板是二次透镜的基板，这种方案有利于系统聚光比的进一步增大。

图8.4给出了不同透镜焦距(F)和接收器直径(d)下，测得的绝对光学效率与正方形复合菲涅尔透镜的入射孔径(L)的关系。在低透镜孔径和3～1.5 mm的直径下(当“理想”太阳图像直径相对给定的焦距较小时)，光学效率略有降低表明在非理想表面上有散射光。当d=0.9 mm时，这种降低更加显著，这可能是由于“太阳成像”的部分被切断造成的。当透镜的面积开始变得相对较大时，周边非理想形状的沟槽越深，像差和光的散射变得越严重。尽管短焦距的透镜对小直径的接收器来说效率更高，但焦距F对透镜效率只存在轻微的影响。使用截光尺寸为40 mm×40 mm、焦距为80 mm左右的复合菲涅尔透镜可以通过使用直径为2 mm左右且无二次聚光器的电池来调整。

对于运行在一次聚光+二次聚光(PL+SL)系统中的太阳电池来说，光学效率的测量有助于选择指定面积电池的直径。测量过程中，将一块在一定的(足够小的)截光面积下光学效率为91%的薄平石英透镜作为“参考”透镜。图8.5给出了该测量结果与接收器直径之间的关系，描述了四个变量下的测量结果。

图8.3　“全玻璃”组件采用的聚光子组件的光学示意