CN101694541A - 曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置 - Google Patents

曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，为实心玻璃的V棱镜梯形结构，它的曲顶面镀有增透膜，曲顶底面为光束的入射面，下底面为光束出射面，且曲顶底面的面积大于下底面的面积。光束经过聚光光伏模组的一次聚光器后变为一束会聚光束，这一束大口径的会聚光束进入曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置的入射面，经过入射面的折射和侧壁的多次全反射后，再以小口径光束从出射面折射到太阳能电池上，从而达到二次聚光的目的，而侧壁对光束的多次全反射又可以使强度分布不均的光斑变得更加均匀，从而实现太阳能电池受光表面光斑的均匀化。

Description

曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置
技术领域
本发明涉及一种全反射式二次聚光及匀光装置，尤其涉及一种应用于高倍聚光光伏模组的全反射式二次聚光及匀光装置，实现针对经过一次聚光后的光束进行二次聚光及匀光。
背景技术
随着传统能源的日益枯竭以及环境污染的加剧，太阳能已成为一种极具开发潜力的新能源。在太阳能利用领域中，太阳能光伏发电技术是最具有应用前景的太阳能利用方式，太阳能光伏发电技术现已成为世界各国争先研究的重要课题之一，而研究的重点是如何提高太阳能电池的光电转换效率，以及如何降低光伏发电的成本。目前应用最广泛的解决方案就是在太阳能光伏系统中引进聚光器，即采取聚光光伏系统实现光伏发电的技术。当前普遍应用的聚光器主要有两种：一种是反射式聚光器，一种是透射式聚光器。以菲涅耳透镜为代表的透射式聚光器以其成本低廉、易大批量生产、方便集成等诸多优点，在国内外该领域得到广泛的应用。但经过菲涅耳透镜的高倍聚光而形成的光斑会因聚光不均匀而产生热点，容易因温度过高而损伤太阳能电池，这样就会大大降低太阳能电池的光电转换效率以及减少电池使用寿命，因此急需对聚光器的结构设置进行相应改进，借以满足使用要求。
发明内容
为进一步增大聚光光伏系统的聚光比，并改善入射到太阳电池的光斑强度均匀性，本发明的目的在于提供一种曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置。一方面提高光斑强度均匀性，另一方面实现对菲涅尔透镜出射光束的二次聚光，增大聚光光伏系统的总聚光比。
实现本发明目的的技术解决方案是：曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，为实心玻璃的V棱镜梯形结构，其特征在于：所述V棱镜梯形结构用于折射光线的上底面和下底面分别为曲顶面和平面，且曲顶的上底面面积大于平面的下底面面积；上、下底面间为用于全反射光线的侧壁面。
进一步地，前述曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，所述曲顶面镀有增透膜；对应于不同形状的太阳电池所需的光斑，所述V棱镜梯形结构为四棱镜曲顶面梯形或圆柱曲顶面梯形。
本发明曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置应用于光伏聚光系统后，不仅可以进一步增大聚光光伏系统的总聚光比，而且可以提高太阳能电池上的光斑强度的均匀性，从而提高太阳电池的转换效率，具有结构简单、操作方便、实用性强等优点。
附图说明
图1为聚光光伏模组光路结构示意图；
图2a为本发明二次聚光及匀光集成装置一实施例的立体图；
图2b为本发明二次聚光及匀光集成装置另一实施例的立体图；
图3为图2a所示二次聚光及匀光集成装置的剖面光路示意图；
图4为有且最多仅有一次全反射时的仿真分析图；
图5为有且最多仅有二次全反射时的仿真分析图；
图6为有且最多仅有三次全反射时的仿真分析图；
图7为有且最多仅有四次全反射时的仿真分析图；
图8为单菲涅耳透镜形成的光斑强度分布图；
图9为单菲涅耳透镜加曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置后形成的光斑强度分布图。
具体实施方式
本发明提供一种曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，其主要技术方案是：经过精密光学加工的一个曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，为实心玻璃的V棱镜梯形结构，它的曲顶面镀有增透膜，曲顶底面为光束的入射面，下底面为光束出射面，且曲顶底面的面积大于下底面的面积。由此，光束经过聚光光伏模组的一次聚光器后变为一束会聚光束，这一束大口径的会聚光束进入曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置的入射面，经过入射面的折射和侧壁的多次全反射后，再以小口径光束从出射面折射到太阳能电池上，从而达到二次聚光的目的，而侧壁对光束的多次全反射又可以使强度分布不均的光斑变得更加均匀，从而实现太阳能电池受光表面光斑的均匀化。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。
如图1和图2a所示，是本发明应用于聚光光伏模组的光路结构示意图及本发明一四棱镜实施例的立体图。该实施例以镀有增透膜的曲顶底面为光束的入射面，平面下底面为光束出射面。入射光束经过一次聚光器1的一次聚光后进入曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置2，又经过曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置曲顶面的折射、四面侧壁的多次全反射和下底面的折射到达太阳能电池3上。为了最大限度的利用太阳能，把太阳能电池放在下底面处，所以下底面的形状和面积根据太阳能电池的形状和面积而定，曲顶底面的面积根据入射光束的口径而定。在保证光利用率为100％的前提下，根据入射面和出射面的面积以及光线的反射次数，利用公式：
S 1 S 2 = ( 1 - 5 sin 2 D ) ( 1 - 5 sin D sin 4 D sin 3 D ) ( 1 - 5 sin D sin 6 D sin 5 D ) · · · ( 1 - 5 sin D sin 2 nD sin ( 2 n - 1 ) D )
便可以计算出侧壁的倾斜角度。其中，S1为入射面面积、S2为出射面面积、n为光线反射次数。
如图3所示，为了分析简单，设入射光束经过曲顶面折射后垂直进入V棱镜，侧壁与水平底面的夹角(或称侧壁的倾角)为D，利用全反射定律和三角函数关系可以得到只有两个侧壁全反射时的聚光比C与侧壁倾角D的关系，用软件分析得到仿真分析图4、图5、图6、图7。从而根据入射光束口径和太阳能电池的面积，经过上面的公式计算就可以确定出侧壁倾斜角度，进而确定应用于聚光光伏模组的曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置的上底面边长、下底面边长、侧面的倾斜角度等具体参数。
图8是单一使用菲涅耳透镜形成的光斑强度分布图，图9是在这个菲涅耳透镜跟检测器中间加入一个曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置后形成的同样大小的光斑的强度分布图。从图中所示对比克制，加入曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置后系统的光利用率明显提高。经计算，图9的光斑强度均匀性为91.2％，而图8的光斑强度均匀性为13.7％。由此可见，在系统中引入曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置后能大大改善出射光斑的强度均匀性，提高总聚光比。
除此之外，本发明曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置还可有其它实施方式。如图2b所示，对应于圆形的太阳电池，该V棱镜梯形结构的棱数可趋向无限，即形成圆柱曲顶面梯形结构，如此当入射光通过曲顶面折射照入后，即在其壁面径向上进行一次或多次的全反射，继而从平面状的底面出射面射出。该结构适应圆形太阳电池，同样能提高投射到电池表面光斑的强度均匀性，提高总聚光比。
综上，本发明曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置提供了一种切实可行的改善聚光光伏系统效率的方案。以上仅是针对本发明一具体范例的描述，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (3)

1.曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，为实心玻璃的V棱镜梯形结构，其特征在于：所述V棱镜梯形结构用于折射光线的上底面和下底面分别为曲顶面和平面，且曲顶的上底面面积大于平面的下底面面积；上、下底面间为用于全反射光线的侧壁面。
2.根据权利要求1所述的曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，其特征在于：所述曲顶面镀有增透膜。
3.根据权利要求1所述的曲顶全反射式二次聚光及匀光集成装置，其特征在于：对应于不同形状的太阳电池所需的光斑，所述V棱镜梯形结构为四棱镜曲顶面梯形或圆柱曲顶面梯形。
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