CN104716215A - 一种二次聚光器 - Google Patents

Abstract

一种二次聚光器，其整体形状为柱状，包括顶部和底部，所述底部可与聚光太阳能光伏系统的太阳能电池连接在一起，所述聚光器的侧壁表面由多个微小单元构成的凹凸不平的曲面所组成。本发明能够利用二次聚光器侧壁的凹凸不平的曲面来提高光强分布的均匀性，解决现有技术在入射光线偏离轴心较大时不适用的问题以及通用性差的问题，具有很好的实用性，节约了聚光太阳能光伏系统的制造成本。

Description

一种二次聚光器

 

技术领域

本发明涉及能源领域太阳能光伏技术，特别涉及一种用于聚光太阳能光伏系统的二次聚光器。

 

背景技术

与普通太阳能电池相比，聚光太阳能电池具有更高的转换效率，是光伏发电领域的重点发展方向之一，然而高倍率的聚光太阳能光伏系统存在光斑强度分布不均匀、对太阳跟踪器的跟踪精度要求高等问题，采用二次聚光器可有效改善光斑强度分布的均匀性，如发表于Proc. of SPIE Vol. 7785 778509-1的论文《Secondary optics for Fresnel lens solar concentrators》以及发表于《红外与激光工程》第40卷第2期的论文《应用于聚光光伏模组的全反射式二次聚光器的设计与性能分析》对二次聚光器进行了讨论。这些二次聚光器普遍采用了倒棱台或倒圆台的结构，其侧壁为光滑的平面或圆锥面，主要利用光线在二次聚光器侧壁的多次全反射来对光线进行汇聚、重新分配从而达到提高光强均匀性的目的。然而这种具有中心对称结构的二次聚光器在入射光角度发生变化时，其光强分布必然发生改变从而影响均匀性，因此需要采用高精度的太阳跟踪器，对太阳光入射角度的跟踪精度要优于±1o，这就增加了聚光太阳能光伏系统的成本，限制了聚光太阳能电池的发展和工程应用。另外，这种二次聚光器的具体形状需要根据实际的入射光情况进行专门的优化设计才能得到较好的均匀性，如果入射光的角度、焦距发生改变，其光强分布均匀性也将发生改变，因此其通用性较差。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于聚光太阳能光伏系统的二次聚光器，利用二次聚光器侧壁的凹凸不平的曲面来提高光强分布的均匀性，解决现有技术在入射光线偏离轴心较大时不适用的问题以及通用性差的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种二次聚光器，其整体形状为柱状，包括顶部和底部，所述底部可与聚光太阳能光伏系统的太阳能电池连接在一起，所述聚光器的侧壁表面为由多个微小单元周期性规则排列或不规则随机形状构成的凹凸不平的曲面。

在一些实施例中，通过所述二次聚光器的轴心的纵剖面的侧边为曲线。

在一些实施例中，所述二次聚光器的底部形状、面积与所述太阳能电池的有效受光区域的形状、面积保持一致。 

在一些实施例中，入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后不从二次聚光器的侧壁透射出去，而是直接射到所述太阳能电池上或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上。

在一些实施例中，通过控制二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角以及二次聚光器的高度来保证入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后不从二次聚光器的侧壁透射出去，而是直接射到所述太阳能电池上或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上。

在一些实施例中，通过下述公式控制所述二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角                                               ：

，

其中，为入射的光线经所述顶部表面折射后与竖直方向的夹角，为光线在所述侧壁第k次反射点位置的侧壁表面的法线方向和光线的夹角，且满足，为二次聚光器的折射率，为光线在所述侧壁第i次反射点位置的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角。

在一些实施例中，根据公式获取，其中，为入射的光线和竖直方向的夹角，为二次聚光器的折射率。

在一些实施例中，所述二次聚光器的顶部表面的面积大于入射的光斑的面积。 

在一些实施例中，所述二次聚光器的顶部和底部分别蒸镀有增透膜。

与现有技术相比，本发明所述二次聚光器的整体形状为圆柱、圆台、棱柱或棱台中的任一种，二次聚光器的侧壁表面为凹凸不平的曲面，二次聚光器的底部与聚光太阳能光伏系统的太阳能电池连接在一起，能够利用二次聚光器侧壁的凹凸不平的曲面来提高光强分布的均匀性，解决现有技术在入射光线偏离轴心较大时不适用的问题以及通用性差的问题。

另外，通过控制二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角，使入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后不从二次聚光器的侧壁透射出去，而是直接射到所述太阳能电池上或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上，实现将入射的光线均匀地汇聚到太阳能电池上的目的。

结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其他方面和优点。

 

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的二次聚光器整体外形示意图；

图2为通过本发明的二次聚光器的轴心的纵剖面示意图；

图3为本发明的二次聚光器使用示意图；

图4为本发明的二次聚光器光路示意图；

图5为采用特殊锯齿设计避免光在侧壁的同一侧连续多次反射的示意图；

图6为采用本发明的实施例1的二次聚光器示意图；

图7为采用本发明的实施例2的二次聚光器示意图；

图8为采用本发明的实施例3的二次聚光器示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种用于聚光太阳能光伏系统的二次聚光器，所述二次聚光器的整体形状为圆柱、圆台、棱柱或棱台中的任一种，二次聚光器的侧壁为凹凸不平的曲面，所述二次聚光器的底部与聚光太阳能光伏系统的太阳能电池连接在一起。具体的，与现有技术主要依靠侧壁的光滑平面、圆柱面或圆锥面的多次反射来改善光强均匀性不同，本发明主要利用二次聚光器的侧壁的凹凸不平的曲面来提高光强分布的均匀性，解决现有技术在入射光线偏离轴心较大的情况下其光强分布均匀性较差的问题以及通用性差的问题。二次聚光器侧壁的凹凸不平的曲面，可看作是将侧壁分割成无数小区域，每个小区域分别将进入二次聚光器内部的光线的角度进行不同程度的变换，这种角度的变换具有很高的随机性，从而实现将光线进行重新分布后均匀地照射到二次聚光器的底面，其作用类似于光学中的复眼透镜系统，即使在入射光偏离轴心较大的情况下也不会显著影响照射到二次聚光器底部的光强均匀性，因此可以采用精度较差的太阳跟踪器，降低聚光太阳能光伏系统的成本。本发明的二次聚光器对于入射光的分布没有严格的要求，同一规格的二次聚光器可以适用于不同焦距的抛物面反射镜或菲涅耳透镜，与目前的二次聚光器相比具有更好的通用性。另外，本发明的二次聚光器侧壁采用凹凸不平的曲面，具有更好的均光效果，使得对侧壁反射次数的依赖减小，与目前的二次聚光器相比，可以降低二次聚光器的高度，从而减少由于材料吸收引起的光损耗。

优选的，如图1所示，所述凹凸不平的曲面由多个微小单元周期性规则排列或不规则随机形状构成。

较佳的，如图2所示，通过所述二次聚光器的轴心的纵剖面的侧边为曲线。

优选的，如图3所示，所述二次聚光器1的底部形状、面积与所述太阳能电池2的有效受光区域的形状、面积保持一致。

较佳的，入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后不从二次聚光器的侧壁透射出去，而是直接射到所述太阳能电池上或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上。

进一步的，通过控制二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角以及二次聚光器的高度来保证入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后不从二次聚光器的侧壁透射出去，而是直接射到所述太阳能电池上或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上。

较佳的，如图4所示，通过下述公式控制二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角：

，

其中，为入射的光线经所述顶部表面折射后与竖直方向的夹角，取值范围为0o～90o。为光线在所述侧壁第k次反射点位置的侧壁表面的法线方向和光线的夹角，取值范围为0o～90o，且满足，为二次聚光器的折射率。（i=1、2、3……）为光线在所述侧壁第i次反射点位置的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角，取值范围为-90o～90o，当侧壁内表面法线在水平方向上方时取正值，反之取负值。为公式归纳所需的符号，其值为0。

进一步的，如图5所示，根据公式获取，其中，为入射的光线和竖直方向的夹角，取值范围为0o～90o，为二次聚光器的折射率。

优选的，所述二次聚光器的顶部表面的面积大于入射的光斑的面积。

本发明的二次聚光器由在太阳能电池有效响应波段范围内透明的材料制成，如石英玻璃、聚酯材料等，整体外形可通过常规的光学零件加工方法制成，侧壁的凹凸不平的曲面可通过机械磨削、化学腐蚀、模压等方法加工。

更详细的，如图1所示，所述二次聚光器的整体外形可以是圆柱、圆台、棱柱或棱台中的一种，圆台和棱台既可以是顶部面积小于底部面积的正置形态，也可以是顶部面积大于底部面积的倒置形态。

所述二次聚光器侧壁的表面可以是蜂窝状排列或其它呈周期性规则排列的斜面、凹面或凸面形状，也可以是不规则随机形状构成的凹凸不平的表面，或是通过这些规格或不规则形状经过变形、重新组合成的凹凸表面，如图1和图2所示，其中图1（a）和图2（a）为螺旋状的凹槽，图1（b）和图2（b）为环状的锯齿槽，图1（c）和图2（c）为环状的波浪槽，图1（d）和图2（d）为矩阵排列的凸球面，图1（e）和图2（e）为矩阵排列的凹球面，图1（f）和图2（f）为随机排列的不规则凹面。

较佳的，采用如图5（a）所示的特殊锯齿状设计，可以避免由于光线在侧壁的同一侧连续2次或多次反射造成光线向上射出或在另一侧壁透射出去，从而降低对光的利用率，如图5（b）所示。

为提高二次聚光器顶部和底部对光的透过率，还可在二次聚光器的顶部和底部蒸镀增透膜。

在使用时，参见图3，用胶将二次聚光器1的底部和太阳能电池2连接在一起，二次聚光器1的底部形状、面积应和太阳能电池2的有效受光区域的形状、面积保持一致。经过聚光镜（如抛物面反射镜或菲涅耳透镜）汇聚的太阳光入射到二次聚光器1的顶部表面，注意应使二次聚光器1的顶部面积大于入射光斑的面积，以保证在入射光发生一定角度的偏离时，二次聚光器1仍能有效接受入射光。

为了提高二次聚光器对光的收集效率，要求光在二次聚光器的侧壁均为全反射状态，即要满足：

   （k=1、2、3、……），

从以上公式可以得知，二次聚光器的主要参数为侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角，越大，则越小，从而可能造成部分光线在侧壁不能发生全反射而透射出二次聚光器，影响二次聚光器的收集效率，因此二次聚光器必须根据实际工况选取合适的参数。

根据不同的入射光角度以及聚光太阳能电池的面积，二次聚光器可以采用各种形状以及参数的组合，因此无法给出一种通用的二次聚光器参数的优化设计结果，下面将通过几个实施例来说明二次聚光器的工作原理和参数选取应注意的事项。

实施例1

参见图6，二次聚光器采用圆柱形状，侧壁的上端采用环状的锯齿凹槽，下端采用光滑的圆柱曲面，经过聚光镜汇聚的光线照射到二次聚光器顶部后进入二次聚光器内部并照射到侧壁，照射到侧壁上每一个凹槽面的光线都可看作一个独立的光源。现取其中的一个凹槽面进行分析，如图6中左侧的第二个凹槽面，照射到该凹槽面的光线经过反射后成为发散光线，再经过侧壁的多次反射后汇聚到底部，可见单个凹槽面发出的散射光就可以照射到整个电池表面。尽管单个凹槽面发出的光线在底部的均匀性不能达到很理想的状态，但经过多个凹槽面反射光线的叠加，最终可以在电池表面获得均匀的光强分布。另外，即使入射光束发生偏转导致部分凹槽面未能接收到入射光线，如图中左侧的第一个凹槽面，对电池表面的光强整体分布也不会产生明显的影响。

如果聚光镜的焦距变得很长，则入射光近似为平行光，该平行的入射光照射到每一个凹槽面的部分成为发散光同样可以照射到整个聚光器的底部从而获得均匀的光强分布，而采用现有的侧边为直线的二次聚光器，平行的入射光经过侧壁反射后仍为平行光，侧壁无法起到应有的改善光强分布的作用，因此本发明的二次聚光器比现有的二次聚光器对于不同焦距的聚光镜具有更好的通用性。

现有的二次聚光器主要依靠平直的侧边反射来对光强进行再分布，反射次数越多则均匀性越好，因此必须具有一定的高度，而本发明的二次聚光器主要依靠弯曲的侧边对光强进行再分布，即使聚光器的高度很小（如减小到图中的虚线位置）只能在侧壁实现一次反射，也可以获得较好的光强均匀分布，因此通过侧壁曲面的优化设计可以减小聚光器的高度，降低由于材料对光的吸收引起的损耗。

在二次聚光器的参数选择方面，只要将侧壁表面任意处的法线方向和水平方向的夹角控制在一定范围，使角为最大值的入射光线经顶部折射后也能在二次聚光器侧壁发生全反射，就能保证使全部入射光线都能在侧壁发生全反射而不发生透射损耗。考虑到实际加工控制的困难，可以不要求侧壁的每一处法线方向和竖直方向的夹角都满足这个要求，只要在大部分区域满足即可。

令侧壁上端凹槽部分的高度为h，聚光器的高度为H。采用如图6所示的凹槽面形状时，的取值范围为0o～90o。

如果h较小，即所有光线最多只能在凹槽部分发生一次反射，其余的第2、3、4……次反射均发生在下端光滑的圆柱面上，即、、……均为0o，根据上述公式可知……，如果二次聚光器材料的折射率为1.45，可计算出（k=1、2、3……）应不小于43.6o。

考虑太阳光经过汇聚后入射光线和垂直方向的夹角均小于30o的情况，即的范围为0o～30o，由于h较小，假定照射在凹槽部分的光线对应的角范围为25o～30o，其余范围的光均照射在侧壁下端的圆柱面上或直接照射到聚光器的底部。

在等于30o时，根据上述公式可求出等于20.2o，应不大于13.1o。同样可分别计算出为其它角度时相应的取值范围，如为28o时应不大于13.8o，为25o时应不大于14.7o。为保证对于所有的入射光线在侧壁均能发生全反射，取在25o～30o范围内相应的取值范围的集合的最小区间，即应控制在0o～13.1o的范围内。

由于侧壁下端采用圆柱面，二次聚光器的高度H增加时不会引起光线从侧壁透射的问题，且会改善电池表面的光强均匀性，但要考虑二次聚光器高度增加后由于材料对光的吸收引起的损耗。

实施例2

参见图7，二次聚光器采用圆柱形状，侧壁均采用环状的锯齿凹槽。假定通过控制聚光器的高度，使所有光线最多只能在侧壁发生3次反射。对于入射光的范围仍为0o～30o的情况，由于凹槽部分的高度大于实施例1的情况，因此照射在凹槽部分的光线对应的角范围会更大一些，假定为15o～30o，其余部分的光线将直接照射在聚光器底部。

根据上述公式，将相关参数代入可得：

，

考虑最差的情况，即3次反射点均在凹槽部分表面法线方向和水平方向的夹角最大值处，即：。在为30o时，可以求出为5.2o。因此，为保证对于所有的入射光线在侧壁均能发生全反射，凹槽部分的表面法线和水平方向的夹角应控制在0o～5.2o的范围内。

与实施例1相比，由于凹槽部分的高度增加，为保证光线在侧壁发生全反射，相应地凹槽部分表面法线方向和水平方向的夹角允许的范围更小。

因此对于这种二次聚光器，随着聚光器高度的增加，一方面反射次数的增加会改善二次聚光器的均光性能，另一方面凹槽部分表面法线方向和水平方向的夹角允许的范围将更小，因此侧壁对光的散射作用减弱，会削弱二次聚光器的匀光性能，即这两种效应在对光强均匀性的作用是相互抵消的。

当聚光器高度很大时，允许的侧壁表面法线方向和水平方向的夹角将趋向于0，这实际上就是二次聚光器采用标准圆柱形状时的情形。

实施例3

参见图8，二次聚光器采用倒圆台形状，侧壁均采用环状的锯齿凹槽，且锯齿的角度由实施2中的锐角改为直角或钝角，从而便于侧壁曲面的加工，注意此时需要控制好圆台侧壁的斜率，即图8中虚线和竖直方向的夹角，避免光线在侧壁的同一侧连续发生2次或2次以上的反射。

假定通过控制聚光器的高度，使所有光线最多只能在侧壁发生3次反射。对于入射光的范围仍为0o～30o的情况，则凹槽部分表面法线方向和水平方向的夹角允许的范围和实施例2相同，即0o～5.2o。

与实施例2相比，由于采用倒圆台的形状，二次聚光器的顶部面积大于底部面积，在实际应用中更具价值。

综上所述，本发明所述二次聚光器的整体形状为圆柱、圆台、棱柱或棱台中的任一种，二次聚光器的侧壁表面为凹凸不平的曲面，所述二次聚光器的底部与聚光太阳能光伏系统的太阳能电池连接在一起，能够利用二次聚光器侧壁的凹凸不平的曲面来提高光强分布的均匀性，解决现有技术在入射光线偏离轴心较大时不适用的问题以及通用性差的问题。

另外，通过控制侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角，使入射光线从所述二次聚光器的顶部表面折射后不从二次聚光器的侧壁透射出去，而是直接射到所述太阳能电池上或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上，实现使光线均匀地汇聚到二次聚光器底面的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种二次聚光器，其整体形状为柱状，包括顶部和底部，所述底部可与聚光太阳能光伏系统的太阳能电池连接在一起，其特征在于所述聚光器的侧壁表面由多个微小单元构成的凹凸不平的曲面所组成。

2.如权利要求1所述的二次聚光器，其特征在于通过所述二次聚光器的轴心的纵剖面的侧边为曲线。

3.如权利要求1所述的二次聚光器，其特征在于所述底部的形状和面积与所述太阳能电池的有效受光区域的形状和面积保持一致。

4.如权利要求1所述的二次聚光器，其特征在于入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后直接射到所述太阳能电池上，或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上。

5.如权利要求4所述的二次聚光器，其特征在于通过控制二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角以及二次聚光器的高度来保证入射的光线经所述二次聚光器的顶部表面折射后直接射到所述太阳能电池上，或从所述二次聚光器的侧壁全反射后射到所述太阳能电池上。

6.如权利要求5所述的二次聚光器，其特征在于通过下述公式控制所述二次聚光器的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角                                                ：

，

其中，为入射的光线经所述顶部表面折射后与竖直方向的夹角，为光线在所述侧壁第k次反射点位置的侧壁表面的法线方向和光线的夹角，且满足，为二次聚光器的折射率，为光线在所述侧壁第i次反射点位置的侧壁表面的法线方向和水平方向的夹角。

7.如权利要求6所述的二次聚光器，其特征在于，根据公式获取，其中，为入射的光线和竖直方向的夹角，为二次聚光器的折射率。

8.如权利要求1所述的二次聚光器，其特征在于所述聚光器顶部表面的面积大于入射的光斑的面积。

9.如权利要求1所述的二次聚光器，其特征在于所述聚光器的顶部和底部分别蒸镀有增透膜。

10.如权利要求1所述的二次聚光器，其特征在于所述聚光器的整体形状为圆柱、圆台、棱柱或棱台中的任一种。