用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计.pdf

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1、第31卷第2期　　　　　　　　　　　　　　光子学报Vol131No122002年2月　　　　　　　　　　ACTAPHOTONICASINICAFebruary2002X用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计汪　韬　李　辉　李宝霞　赛小锋　高鸿楷(中国科学院西安光学精密机械研究所,光电子学室710068)摘　要　根据边缘光线原理,优化设计太阳电池及光伏系统的菲涅耳线聚焦聚光透镜1设计光学聚光率为18×,可用于空间、地面光伏系统的聚光系统1分析了其集光角特性,表明该菲涅耳线聚焦棱镜具有大的集光角(±7°)1关键词　太阳电池;菲涅耳透镜;集光角0　引言　　近年

2、来,基于太阳能、风能等可再生能源技术焦菲涅耳聚光透镜1发展迅速1特别是基于太阳能光伏发电技术,为1　设计原理空间卫星供电的电源系统和地面光伏发电系统,为未来解决能源问题提供了新的广阔前景1但其菲涅耳聚光透镜其根本目的为增加太阳电池面临发电价格高昂和太阳电池材料紧缺、昂贵的上的太阳辐射功率的密度1由于菲涅耳非成象光问题,需要进一步地降低成本和提高效率1为减学,无需考虑象的精度,在入射角范围内将能量聚5少太阳电池片的实际用量,人们早已开始了太阳焦于一定范围内,无需点聚焦1遵循折射原理1电池聚光器的研究1聚光系统主要为反射式(如(Snell定理)CPC、SMTS

3、等)和透射式(Fresnel,全息等)两种1n1sin(i1)=n2sin(i2)特别是GaInP2öGaAsöGe级联太阳电池的当采用最小偏折角棱镜时,菲涅耳聚光透镜反射2研制成功,其较Si电池效率高、抗辐射、耐高温1损失为最小,即为入射光线与顶面的法线的夹角7非常适用于聚光型太阳电池1而且随光学树脂的等于出射光线与底面法线的夹角1应用发展,如聚碳酸酯、PMMA(聚甲基丙烯酸甲2　设计方法酯)和聚苯乙烯等,具有耐冲击强度高、相对密度小,透过率高,在太阳光谱的013～2Lm范围内透考虑因素:1)棱镜组对光的吸收随棱镜的厚过率达92%以上,与光学玻璃相差无几

4、1其光学度增加而变大,同时由于棱镜元的底边缘造成的性能优良,抗老化,成型工艺简单、产品成本低廉1通光量的损失也急剧变大,所以棱镜的厚度要尽利用光学树脂透镜和级联太阳电池合成的聚光型可能的薄1单棱镜太薄将造成实际加工的困难,太阳电池极大地提高单位电池片产生的电量1大我们取其最大厚度为1mm12)菲涅耳聚光透镜的大降低了发电成本,提高了太阳能光伏发电的竞焦距直接影响电池组件集光角和光学聚光率的大3,4争力1小,同时影响电池组件的体积13)电池组件集光早先点聚焦菲涅耳聚光透镜具有高的聚光角的设计,集光角越大,电池组件对太阳的入射的率,但其必须对太阳进行二维跟踪1

5、我们采用三方向不敏感,对系统瞄准太阳的能力要求低,同时维优化设计,考虑太阳能电池的热退化效应,设计它也直接影响光学聚光率的大小1对±H截面内具有较大集光角、只对太阳进行一维跟踪的线聚入射角,不同季节,每天太阳倾角的变化不同,正X国家自然科学基金资助项目　收稿日期:20012062132期　　　　　　　　　　　江韬等1用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计197午前后4小时夏天变化为±2°,冬天变化为±6°,dx为入射角为H时的光线的偏折角,d0为光线投太阳本身的有限长角为±015°,加上聚光器斜率射到电池表面所需的偏折角,E为极小量1H、W分误差,所以菲

6、涅耳聚光棱镜的集光角设计值≥±别为入射角在棱镜端面和垂直端面内的投影1615°14)折射率n采用太阳电池吸收光谱的中心光学聚光率定义为ElöEo,El为有棱镜情况1波长600nm处折射率为114881下光辐射密度,Eo为无棱镜情况下光辐射密度1先由0位置与接受面的相对位置设计第一棱光学聚光率为会聚比与光效率的积1总的光学聚镜元,确定其参量棱镜顶角角度A1、棱镜倾角B1、光率为各棱镜元的光学聚光率的和1计算公式为棱镜元宽度X1,递进优化之1再在棱镜1基础上c(H,7)=6T(H,7,n)(Al(n)öAo(n))n连接设计棱镜2,确定其参量A2、B2、X2,

7、递进优化1T(H,7,n)为第n棱镜的透过率,Al(n)为第n棱以此类推,得到第n棱镜参量(An,Bn,Xn)1由此得镜的出射孔径,Ao(n)为第n棱镜的入射孔径1其到棱镜组参量(A1A2⋯An,B1B2⋯Bn,X1X2⋯Xn)1设计外形如图3,其光学聚光率见图41如图1,设计流程图见图21采用newton法逼近,至满足判据,结束该棱镜元参量的搜索1进行下一棱镜元参量的搜索1判据为ûdx-d0û

8、图1　光线在棱镜上的折射示意图Fig.1Schematicofra