建筑一体化微跟踪聚光光伏系统的光学设计与实验验证：迈向净零能耗建筑的新路径

本研究针对建筑能耗与碳排放问题，设计并实验验证了一种集成微跟踪技术的聚光光伏（μT CPV）光学系统。通过优化二次光学元件（SOE）结构和双透镜消色差设计，实现了63.5%的光学效率和7.9倍太阳浓度，为建筑光伏一体化（BIPV）提供了高效节能解决方案，对推动城市能源韧性和净零能耗建筑发展具有重要意义。

　　

在全球应对气候变化和推动能源转型的背景下，建筑领域的能耗和碳排放问题日益凸显。欧盟通过《欧洲绿色协议》和《建筑能效指令》等政策，设定了到203年可再生能源消费占比32%的目标。建筑一体化聚光光伏（BICPV）技术作为一种创新解决方案，通过减少光伏电池面积并使用更可持续的材料，在保持相同发电量的同时，实现更高的能效。然而，现有的聚光光伏系统在建筑集成应用中仍面临光学效率不足、色差问题以及结构紧凑性等挑战。

为了应对这些问题，西班牙莱里达大学的研究团队在《Renewable Energy》上发表了一项研究，聚焦于建筑一体化微跟踪聚光光伏（μT CPV）系统的光学设计与实验验证。该研究通过结合多材料消色差设计、微跟踪技术和二次光学优化，显著提升了系统的光学性能和实用性。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先，利用同步多表面（SMS）方法和遗传算法进行光学设计优化，结合COMSOL Multiphysics进行参数化建模和光线追迹仿真；其次，通过数控加工（CNC）技术制造聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）透镜对，并采用真空金属化工艺处理二次光学元件（SOE）的反射壁；此外，研究还通过光谱光度测量、太阳能模拟器测试和户外实况验证等多种实验手段，全面评估了系统的光学效率、太阳能浓度和辐照均匀性。

4.1. 光谱光度表征

通过测量400-2000 nm波长范围内的透射率，研究发现使用光学胶NOA72填充透镜间气隙后，双透镜系统的透射率显著提升，与模拟结果高度一致。SOE单独测试也显示出良好的透射性能，验证了制造工艺的可靠性。

4.2. 光学效率与太阳能浓度评估

采用两种方法（宽带功率计和光伏电池光谱响应）进行测量。在户外条件下，系统达到63.5%的光学效率和7.9倍太阳浓度，与模拟结果吻合。研究还发现，随着入射角增大，效率逐渐下降，但在±40°范围内仍保持可用性能。

4.3. 强度不均匀性性能

通过CCD相机捕捉SOE输出面的光强分布，研究发现SOE有效改善了光斑均匀性，将中心区域浓度控制在10-12倍太阳范围内，边缘区域保持在5-10倍，整体均匀性达到80%，符合设计预期。

4.4. 讨论

与文献中其他微聚光系统相比，本研究在几何浓度（12.5×）、光学效率和系统紧凑性之间取得了良好平衡。尽管光学效率低于某些高端系统（如Insolight的180×浓度），但其扁平化外观、双功能（发电+采光）和更好的建筑集成适应性使其更具实用价值。制造过程中的数控加工限制（如圆形透镜导致的间隙）和材料特性（如PC加工难度）对性能有一定影响，但通过光学胶和抛光处理得到了有效补偿。

研究结论表明，该μT CPV光学系统在实验验证中表现出色，光学效率和浓度均接近理论值，且在不同光照条件下保持稳定。SOE的引入显著改善了光斑均匀性，减少了热点效应，提升了系统可靠性。此外，系统的紧凑设计（总厚度49 mm）和微跟踪机制使其非常适合建筑立面或窗户集成，兼具发电和自然采光功能。

这项研究不仅验证了建筑一体化μT CPV系统的技术可行性，还为未来规模化应用提供了可靠的制造和优化框架。其综合性能、材料选择和多功能设计为推动净零能耗建筑和可持续城市发展提供了重要技术支撑。未来的研究将聚焦于完整模块的集成、长期耐久性测试以及成本效益分析，进一步推动该技术从实验室走向实际应用。