【图朴解决方案】论文精选：利用V形槽聚光的光伏发电系统实验研究
陈红兵，王传岭，彭烽，等.利用V形槽聚光的光伏发电系统实验研究［J］.煤气与热力，2024，44（5）：B01-B06.
随着资源供给日益紧张，全球正面临着各种能源短缺的威胁，全力发展新能源和可再次生产的能源成为经济社会持续健康发展刻不容缓的主要任务和战略目标［1］。太阳能发电是可再次生产的能源利用的重要方式，具有应用广泛、技术成熟的优点［2］。
目前，人们利用太阳能的主要方式有太阳能热利用与太阳能光伏发电等。太阳能光伏发电系统往往存在着太阳能能流密度低、能量分散等问题，影响太阳能电池的输出功率［3］。对太阳光进行聚光处理，可以明显提高太阳能电池单位面积输出功率，改善太阳能辐射分散性。国内外针对常规光伏发电系统低倍聚光器有了大量研究［4-8］。低倍聚光器有复合抛物面（简称CPC）聚光器和V形槽聚光器，与CPC聚光器相比，V形槽聚光器结构相对比较简单且容易制造［9］。Fraidenraich［10］推导出了V形槽聚光器的设计公式，能够保证在太阳能电池表明产生均匀的辐射，根据所设计的V形槽聚光器推导出了计算聚光光伏发电系统发电成本的公式。Sangani等人［11］开发了理论几何聚光比为2.0的单V形槽聚光器，与被动冷却组件的光伏平板系统相比，单V形槽聚光器的系统将输出功率提高了44%。Al-shohani等人［12］通过光线追踪软件OptisWorks对V形槽聚光器的最大聚光比、最小辐照度不均匀性和反射器的最小倾斜高度等进行了模拟和优化。根据结果得出，V形槽聚光器得到聚光比为1.5、2.0、2.5和3.0时的最佳槽角分别为30°、30°、22°和19°。吴小龙等人［13］通过将V形槽式聚光器与无空腔型PV/T组件结合，实验根据结果得出V形槽式低倍聚光PV/T组件的光伏光热效率均高于原有的无空腔PV/T组件和有空腔PV/T组件，具有较大的应用价值。王金平等人［14］采用低倍聚光器将太阳光汇聚在光伏电池上，设计了双V形槽低倍聚光光伏系统，并利用太阳追踪系统与数据采集系统研究了不同聚光条件下，常规单晶硅太阳能电池组件的短路电流、开路电压、上限功率等特性参数。根据结果得出，采用双V形槽低倍聚光后，电池功率提高了27%，短路电流提高了25%，电池表面温度上升到44.8℃。V形槽聚光光伏发电系统不需要高精度的太阳追踪系统，采用低成本的聚光装置将太阳辐射聚集于太阳能电池表面，解决了太阳能能流密度低、能量分散等问题，成倍增大单位面积太阳能电池的输出功率，大大降低了光伏发电系统的成本，对太阳能光伏发电有着重要的促进意义。
综上，大量文献研究了V形槽聚光器应用到光伏发电系统的性能，但鲜有文献对比分析相同实验条件下聚光光伏发电系统和平板光伏发电系统的发电性能以及单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池对光伏发电系统发电性能的影响。因此，本文搭建了4套光伏发电系统：单晶V形槽聚光光伏发电系统、多晶V形槽聚光光伏发电系统、单晶平板光伏发电系统、多晶平板光伏发电系统，并进行实验测试。
垂直入射光线在V形槽聚光器内的反射路径见图1，用n表示入射光线中，槽角ψ为V形槽顶角的一半，d为V形槽开口宽度，坐标系的原点O为V形槽顶点。边缘垂直光线处（距V形槽孔径中心线处（距V形槽开口中心线次反射，在V形槽左侧的n=3处（距V形槽开口中心线次反射。若希望光线在到达太阳能电池表面之前只经历1次反射，则可将太阳能电池放置于n=2的水平面及以上。
本文所使用的V形槽聚光器实物见图2，由厚度为1 mm的整块镜面铝板弯折而成。V形槽聚光器被设计成垂直入射式，其底部为图1中的n=2水平面，这样保证光线次反射，在聚光过程中具有较大的聚光比，能够大大减少反射损失。
V形槽聚光器理论聚光比为2.5，槽角为20°，槽底宽度为10 cm，斜边对应的高为21 cm，镜面铝板的反射率为0.85，太阳能电池板尺寸为1 000.0 mm×100.0 mm×3.5 mm。V形槽聚光器结构参数见图3，图中尺寸单位为cm。
V形槽聚光光伏发电系统主要由V形槽聚光器、太阳能电池等组成。光伏发电试验系统见图4。V形槽聚光光伏发电系统和平板光伏发电系统均由光伏发电系统和数据采集系统组成。
实验测量的主要参数有太阳辐照度、太阳能电池表面温度、太阳能电池的输出电流和电压等。太阳能辐射仪用于测量实验时的太阳辐照度，温湿度传感器用于测量实验时环境温湿度，风速传感器用于测量实验时的环境风速。利用电流/电压传感器测量太阳能电池的输出电流和电压，利用粘贴式铂热电阻测量太阳能电池表面的温度。
测量设备均采用RS485通信线路和Modbus通信协议，实时数据采集完成以后传送至数据采集终端，数据采集终端将各设备发送来的实时数据按照事前设置的格式做处理，通过数据网络保存至数据库，数据采集系统见图5。
实验系统搭建在北京某高校实验楼楼顶，实验台倾角为37°，实验时间为2021年5月至6月，数据采集时间为每天8：30—16：30。本文以2021年5月30日的工况作为典型工况进行分析。
典型工况日气象条件见图6，太阳辐照度呈现先上升后下降的趋势，在11：30左右达到最大值，最大辐照度为925 W/m2，平均辐照度为708 W/m2。室外温度整体呈现上升趋势，在16：00达到最大值，室外温度最大值为32.8℃，平均室外温度为28.0℃。
单晶V形槽聚光光伏发电系统和单晶平板光伏发电系统电功率变化趋势见图7。单晶V形槽聚光光伏发电系统和单晶平板光伏发电系统电功率变化趋势均为先升高再降低，两种系统电功率均在12：00左右达到最大值。单晶平板光伏发电系统最大电功率为7.63 W，平均电功率为5.75 W。单晶V形槽聚光光伏发电系统最大电功率为13.20 W，平均电功率为8.26 W。与单晶平板光伏发电系统相比，单晶V形槽聚光光伏发电系统最大电功率提升73.00%，平均电功率提升43.65%。
多晶V形槽聚光光伏发电系统和多晶平板光伏发电系统电功率变化趋势见图8。多晶V形槽聚光光伏发电系统和多晶平板光伏发电系统电功率变化趋势均为先升高再降低，电功率均在11：30左右达到最大值。多晶平板光伏发电系统最大电功率为7.58 W，平均电功率为5.71 W。多晶V形槽聚光光伏发电系统最大电功率为12.83 W，平均电功率为7.86 W。与多晶平板光伏发电系统相比，多晶V形槽聚光光伏发电系统最大电功率提升69.26%，平均电功率提升37.65%。
不论使用单晶硅太阳能电池还是多晶硅太阳能电池，V形槽聚光光伏发电系统最大电功率和平均电功率均大于平板光伏发电系统。在同等气象条件下，单晶V形槽聚光光伏发电系统最大电功率和平均电功率均大于多晶V形槽聚光光伏发电系统。
单晶V形槽聚光光伏发电系统和单晶平板光伏发电系统电效率变化趋势见图9。单晶V形槽聚光光伏发电系统和单晶平板光伏发电系统电效率变化趋势均为先上升后下降，电效率均在14：00左右达到最大值。单晶平板光伏发电系统最大电效率为8.64%，平均电效率为8.09%。单晶V形槽聚光光伏发电系统最大电效率为8.96%，平均电效率为8.21%。
多晶V形槽聚光光伏发电系统和多晶平板光伏发电系统电效率变化趋势见图10。多晶V形槽聚光光伏发电系统和多晶平板光伏发电系统电效率变化趋势均为先上升后下降，电效率均在14：00达到最大值。多晶平板光伏发电系统最大电效率为8.62%，平均电效率为8.03%；多晶V形槽聚光光伏发电系统最大电效率为8.89%，平均电效率为8.19%。
单晶V形槽聚光光伏发电系统的最大电效率和平均电效率相对于单晶平板光伏发电系统分别提高3.70%和1.48%，多晶V形槽聚光光伏发电系统的最大电效率和平均电效率相对于多晶平板光伏发电系统分别提高3.13%和1.99%。
单晶V形槽聚光光伏发电系统和单晶平板光伏发电系统太阳能电池表面气温变化趋势见图11。两系统太阳能电池表面气温变化趋势均为先上升后下降，太阳能电池表面温度在12：30左右均达到最高值。单晶V形槽聚光光伏发电系统太阳能电池表面最高温度为54.32℃，平均温度为45.13℃。单晶平板光伏发电系统太阳能电池表面最高温度为55.45℃，平均温度为48.40℃。
图11 单晶V形槽聚光光伏发电系统和单晶平板光伏发电系统太阳能电池表面温度变化趋势
多晶V形槽聚光光伏发电系统和多晶平板光伏发电系统太阳能电池表面温度变化趋势见图12。两系统太阳能电池表面温度变化趋势均为先上升后下降，太阳能电池表面温度在12：30左右均达到最高值。多晶V形槽聚光光伏发电系统太阳能电池表面最高温度为57.94℃，平均温度为47.30℃；多晶平板光伏发电系统太阳能电池表面最高温度为58.89℃，平均温度为50.91℃。
图12 多晶V形槽聚光光伏发电系统和多晶平板光伏发电系统太阳能电池表面温度变化趋势
单晶V形槽聚光光伏发电系统太阳能电池表面最高温度和平均温度相对于单晶平板光伏发电系统分别降低1.13℃和3.27℃，多晶V形槽聚光光伏发电系统的太阳能电池表面最高温度和平均温度相对于多晶平板光伏发电系统分别降低0.95℃和3.61℃。
①在同等气象条件下，不论使用单晶硅太阳能电池还是多晶硅太阳能电池，V形槽聚光光伏发电系统最大电功率和平均电功率均大于平板光伏发电系统。单晶V形槽聚光光伏发电系统最大电功率和平均电功率均大于多晶V形槽聚光光伏发电系统。
②单晶V形槽聚光光伏发电系统的最大电效率和平均电效率相对于单晶平板光伏发电系统分别提高3.70%和1.48%，多晶V形槽聚光光伏发电系统的最大电效率和平均电效率相对于多晶平板光伏发电系统分别提高3.13%和1.99%。
③单晶V形槽聚光光伏发电系统太阳能电池表面最高温度和平均温度相对于单晶平板光伏发电系统分别降低1.13℃和3.27℃，多晶V形槽聚光光伏发电系统的太阳能电池表面最高温度和平均温度相对于多晶平板光伏发电系统分别降低0.95℃和3.61℃。
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