CN105204150A - 一种复合抛物面聚光器 - Google Patents

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雷鹏
马炯
蒋丽婷
金鹏
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Abstract

本申请公开了一种复合抛物面聚光器，包括多级聚光器，上一级聚光器的出光口连接下一级聚光器的入光口，每一级聚光器总体为四棱台形且侧面包括复合抛物面，最后一级聚光器的出光口为矩形。本申请由于包括多级聚光器，光线经过第一级聚光器的反射之后，还能传播一定的距离，使原本集中在一小块区域的光斑得到扩散，使光线经过复合抛物面聚光器反射后到达电池表面的辐照度变得均匀；同时，由于最后一级聚光器的出光口为矩形，而电池多是矩形形状，矩形出光口的排布相对于圆形出光口而言更加紧凑，能与电池很好地匹配。本申请能有效增加电池表面的辐照度，减缓太阳能电池表面辐照度的不均匀性而造成的串联电阻增加、发电效率降低等现象。

Description

一种复合抛物面聚光器
技术领域
本申请涉及太阳能聚光技术领域，尤其涉及一种复合抛物面聚光器。
背景技术
20世纪60年代，复合抛物面(CompoundParabolicConcentrator)这个概念开始出现。1966年，Hinterberger和Winston首先将CPC运用在了切伦科夫(Cerenkov)曲线的收集当中。几乎是在同一时间里，巴拉诺夫(Baranov)和梅尔尼科夫(Melnikov)从三维角度提出了类似的概念，巴拉诺夫提出了将3D的复合抛物面用于太阳能的收集中。
图1是复合抛物面纵截面——复合抛物线示意图。复合抛物线由两条轴对称的抛物线A、B按照特殊的位置组合而成。如图所示，1为抛物线A，2为抛物线B，3为复合抛物线轴线，抛物线A的焦点在抛物线B上，而抛物线B在抛物线A上。抛物线A、B的焦点的连线FAFB组成了复合抛物线的出光口。AB为聚光器入光口。连接AFB与BFA，两条线段之间形成一锐角夹角2θ，θ为复合抛物线的半接收角(HalfAcceptanceAngle)。
目前运用最多的基于复合抛物面的聚光器包括三维旋转对称式复合抛物面聚光器(如图2所示)，其存在以下缺限：
三维旋转对称式复合抛物面聚光器出光口为圆形，与市面上常见的矩形形状太阳能电池不匹配；图3所示仿真结果显示，三维旋转对称式复合抛物面聚光器的出口面上，光线分布很不均匀，会使得某些太阳能电池的串联电阻增加，降低电池的发电效率。
发明内容
本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种复合抛物面聚光器。
本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：
一种复合抛物面聚光器，包括多级聚光器，上一级聚光器的出光口连接下一级聚光器的入光口，每一级聚光器总体为四棱台形且侧面包括复合抛物面，最后一级聚光器的出光口为矩形。
上述复合抛物面聚光器，所述多级聚光器为两级聚光器且每级聚光器均为反射式聚光器，第一级聚光器包括第一入光口和第一出光口，第二级聚光器包括第二入光口和第二出光口，所述第一出光口和所述第二入光口连接。
上述复合抛物面聚光器，所述第一级聚光器的侧面包括两对第一复合抛物面，所述第二级聚光器的侧面包括两对第二复合抛物面，组成所述第一复合抛物面的第一复合抛物线的斜率小于组成所述第二复合抛物面的第二复合抛物线的斜率。
上述复合抛物面聚光器，所述两对第一复合抛物面通过第一套和曲面连接，所述两对第二复合抛物面通过第二套和曲面连接。
上述复合抛物面聚光器，组成所述第一复合抛物面和所述第二复合抛物面的复合抛物线的表达式为：
cos2θx2+sin(2θ)xy+(2Ucosθ+4fsinθ)x+(2Usinθ-4fcosθ)y+(U2-4fV)＝0；式中，f＝a'(1+sinθ)，U＝(a'-fsinθ)cosθ+fcosθsinθ，V＝fcosθ+(fsinθ-a')sinθ；θ为复合抛物线的半接收角，a′为所述复合抛物线的两焦点之间间距的一半，(x,y)为所述复合抛物线上各点的坐标，复合抛物线的两焦点之间的连线与复合抛物线的轴线之间的交点为坐标原点。
上述复合抛物面聚光器，若所述第一复合抛物线的半接收角为θ1，则10°≤θ1≤40°。
上述复合抛物面聚光器，若所述第二复合抛物线的半接收角为θ2，则θ1+20°≤θ2≤θ1+30°。
上述复合抛物面聚光器，制得所述复合抛物面聚光器的材料包括玻璃、ABS塑料。
上述复合抛物面聚光器，所述复合抛物面聚光器的内表面设置有反射层。
由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：
⑴在本申请的具体实施方式中，由于复合抛物面聚光器包括多级聚光器，光线经过第一级聚光器的反射之后，在后面的聚光器中还能传播一定的距离，使原本集中在一小块区域的光斑得到扩散，使光线经过复合抛物面聚光器反射后到达电池表面的辐照度变得均匀；同时，由于最后一级聚光器的出光口为矩形，而电池多是矩形形状，矩形出光口的排布相对于圆形出光口而言更加紧凑，可以与电池很好地匹配。本申请能有效增加电池表面的辐照度，且减缓太阳能电池表面辐照度的不均匀性而造成的串联电阻增加、发电效率降低等现象。
⑵在本申请的具体实施方式中，由于复合抛物面聚光器包括两级聚光器，且两级聚光器均为反射式聚光器，经过传统一级聚光器反射后，集中在电池表面一小块区域的光斑得到扩散，使光线经过二级复合抛物面聚光器反射后到达电池表面的辐照度变得均匀；经过第一级聚光器反射后的光线主要集中在电池表面的非边缘区域，由于组成第二级聚光器的抛物线的斜率较高，经过第二级聚光器反向的光线主要达到电池的边缘区域，与第一级聚光器互补，使分布到电池表面的光线更加均匀。
附图说明
图1为复合抛物面纵截面——复合抛物线示意图；
图2为三维旋转复合抛物面聚光器示意图；
图3为三维旋转复合抛物面聚光器辐照面仿真示意图；
图4为本申请的复合抛物面聚光器辐照面仿真示意图；
图5为本申请的复合抛物面聚光器在一种实施方式中的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。
如图3所示，本申请的复合抛物面聚光器，其一种实施方式，包括多级聚光器，上一级聚光器的出光口连接下一级聚光器的入光口，每一级聚光器总体为四棱台形且侧面包括复合抛物面，最后一级聚光器的出光口为矩形。
多级聚光器可以为两级聚光器、三级聚光器或四级聚光器，在一种实施方式中，多级聚光器可以为两级聚光器，且每级聚光器均为反射式聚光器，第一级聚光器包括第一入光口11和第一出光口12，第二级聚光器包括第二入光口21和第二出光口22，第一出光口12和第二入光口21连接，第一入光口11、第一出光口12、第二入光口21和第二出光口22贯通。
在一种实施方式中，第一级聚光器的侧面包括两对第一复合抛物面13，第二级聚光器的侧面包括两对第二复合抛物面23，且组成第一复合抛物面13的第一复合抛物线的斜率小于组成第二复合抛物面23的第二复合抛物线的斜率。两对第一复合抛物面13通过第一套和曲面14连接，两对第二复合抛物面23通过第二套和曲面24连接。若无第一套和曲面和第二套和曲面24，会在电池表面出现聚光热点，套盒曲面的存在可以缓解非套盒情况下电池表面出现的聚光热点。
本申请的复合抛物面聚光器，组成第一复合抛物面13和第二复合抛物面23的复合抛物线的表达式为：
cos2θx2+sin(2θ)xy+(2Ucosθ+4fsinθ)x+(2Usinθ-4fcosθ)y+(U2-4fV)＝0；式中，f＝a'(1+sinθ)，U＝(a'-fsinθ)cosθ+fcosθsinθ，V＝fcosθ+(fsinθ-a')sinθ；θ为复合抛物线的半接收角，a′为所述复合抛物线的两焦点之间间距的一半，(x,y)为复合抛物线上各点的坐标，复合抛物线的两焦点之间的连线与复合抛物线的轴线之间的交点为坐标原点。
若第一复合抛物线的半接收角为θ1，则10°≤θ1≤40°。若第二复合抛物线的半接收角为θ2，则θ1+20°≤θ2≤θ1+30°。
本申请的复合抛物面聚光器，可以由玻璃、ABS塑料等材料制得，复合抛物面聚光器的内表面设置有反射层。
如第一级聚光器的半接收角为30°左右时，只要入射角度小于30°的入射光线，经过第一级聚光器反射后，可以达到第一级聚光器出口，第二级聚光器的半接收角为50°左右，能够保证绝大多数从第一级聚光器出口出射、进入第二级入口的光线，能够经过第二级聚光器的聚光作用，达到太阳能电池吸收表面。
对两级聚光器的性能进行了单独的模拟，仿真过程中，聚光器材质被设置为玻璃，内壁被设置为理想反射面。对于第一级聚光器，结果显示，当入射光线角度小于等于25°时，第一级聚光过程的光学聚光比最高可达到3.72倍，当入射光线角度为30°时，第一级聚光过程的光学聚光比稍下降为3.34倍。对于第二级聚光器，结果显示，当入射光线角度小于等于50°时，第二级聚光过程的光学聚光比达到1.56倍，当入射光线角度为50°时，第二级聚光过程的光学聚光比稍下降为1.5倍。
利用专业光迹追踪软件，本发明又对聚光器的总聚光性能进行了单独模拟。同样，仿真过程中，聚光器材质被设置为玻璃，内壁被设置为理想反射面。结果显示，当入射光线角度为0°时，聚光器总聚光比高达4.65倍。随着入射光线角度逐渐增加，聚光器总聚光倍数缓慢降低。当入射光线角度增加到25°时，聚光倍数也能达到2.5倍。
由于主体是复合抛物面，因此使用聚光器后，太阳能电池表面的辐照度相比于成像光学中的抛物面聚光器，倍数大大增加。而相对于非成像光学中传统的二维槽式复合抛物面聚光器，其聚光倍数亦也显著提升。相对于非成像光学中传统的三维旋转复合抛物面式三维聚光器，其矩形出光口形状能更好地与市面上常见的矩形太阳能电池相匹配。专业光迹追踪软件仿真结果显示，该二阶新型聚光器最高聚光倍数达4.65倍，因而能够潜在提高电池的总发电量。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (9)

1.一种复合抛物面聚光器，其特征在于，包括多级聚光器，上一级聚光器的出光口连接下一级聚光器的入光口，每一级聚光器总体为四棱台形且侧面包括复合抛物面，最后一级聚光器的出光口为矩形。
2.如权利要求1所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，所述多级聚光器为两级聚光器且每级聚光器均为反射式聚光器，第一级聚光器包括第一入光口和第一出光口，第二级聚光器包括第二入光口和第二出光口，所述第一出光口和所述第二入光口连接。
3.如权利要求2所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，所述第一级聚光器的侧面包括两对第一复合抛物面，所述第二级聚光器的侧面包括两对第二复合抛物面，组成所述第一复合抛物面的第一复合抛物线的斜率小于组成所述第二复合抛物面的第二复合抛物线的斜率。
4.如权利要求3所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，所述两对第一复合抛物面通过第一套和曲面连接，所述两对第二复合抛物面通过第二套和曲面连接。
5.如权利要求4所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，组成所述第一复合抛物面和所述第二复合抛物面的复合抛物线的表达式为：
cos2θx2+sin(2θ)xy+(2Ucosθ+4fsinθ)x+(2Usinθ-4fcosθ)y+(U2-4fV)＝0；
式中，f＝a'(1+sinθ)，U＝(a'-fsinθ)cosθ+fcosθsinθ，V＝fcosθ+(fsinθ-a')sinθ；θ为复合抛物线的半接收角，a′为所述复合抛物线的两焦点之间间距的一半，(x,y)为所述复合抛物线上各点的坐标，复合抛物线的两焦点之间的连线与复合抛物线的轴线之间的交点为坐标原点。
6.如权利要求5所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，若所述第一复合抛物线的半接收角为θ1，则10°≤θ1≤40°。
7.如权利要求6所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，若所述第二复合抛物线的半接收角为θ2，则θ1+20°≤θ2≤θ1+30°。
8.如权利要求1至7中任一项所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，制得所述复合抛物面聚光器的材料包括玻璃、ABS塑料。
9.如权利要求1至7中任一项所述的复合抛物面聚光器，其特征在于，所述复合抛物面聚光器的内表面设置有反射层。
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