CN105703704B - 一种用于cpv的锥形聚光器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器及其设计方法，可以将经菲涅耳透镜所有入射光线汇聚后全部输入至光纤，这样可以实现数个光学单元所汇聚的高强度太阳光通过光纤引导在一片光电转换材料上，进行光电转化，这样减少了光电转化单元，利于安装维护，降低了成本。所述锥形聚光器的参数具有以下特征： 其中，α为锥形聚光器的输出端水平倾斜角，L为锥形聚光器的长度，2A为锥形聚光器的输入端的直径。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于CPV的锥形聚光器及其设计方法。
背景技术
CPV(聚光光伏)太阳能发电系统是一种新型太阳能系统，与普通太阳能板的区别是它通过一个聚光镜来聚焦太阳能，把光投射到一个非常小但是高转化率的半导体光电转换材料上。目前CPV聚光镜分为两种：圆形透镜和正方形透镜，以往CPV太阳能发电系统每个光学单元下都会和一个半导体光电转换部件连接，进行发电。
最近光伏界为提高光电转换能效，加强了氮化镓三元合金用于太阳能电池应用的关注。氮化铟镓(InGaN)达到3.42eV和0.7eV之间的所有的间隙值，并且可以几乎覆盖所有的太阳光谱。其它III-V族半导体，通常使用仅覆盖三分之一由氮化铟镓取得的频谱。这个惊人的属性使我们能够吸收绿色光，紫外线和红外线。这种叠层太阳能电池实现了86.8％的理论转换效率，是向光电转换极限迈出的一大步。但是，当涉及到能源的生产，别忘了考虑的一个关键的，以科学无关的因素：制造成本。
目前，太阳能很难低于3/W的发电成本，这是常规来源的两倍，如石油或核的成本。其结果是，尽管是一个安全、环保的技术，但是太阳能电池还没有能够立足于他们本应该在能源市场上的位置。光伏界已经意识到这一点，并已经确定，结合高性能和低成本的新的研究框架，这就是通常被称为第三代太阳能电池。
在这方面，我们希望使用氮化物的知识，探讨氮化铟镓太阳能板的可能性。目前市场上能效转换最高的是Soitec生产的太阳能电池，能效转换高达46％。但是这种电池造价太高，不能作为民用或普通商用，只能给NASA这样的客户作为太空卫星或者飞船供电使用。Sharp也制造出了能效44.4％的三层叠加太阳能板。西班牙的IES和UPM制造出了能效为32.6％的太阳能板。这些高能效太阳能板都是利用三五组半导体材料制造，他们都具有高能效转化但是造价高的特点。
相对于III-V族半导体材料制成的高能效太阳能电池，硅基太阳能电池造价低，但是能效转换率也非常低。所以，综合以上优缺点，我们希望通过利用III-V族半导体材料的优点，利用光纤把多个聚光单元的光束打在一块光电转换材料板上，之前需要每个聚光单元对应一个光电转换材料，现在由于加入了光纤，可是实现多个聚光单元对应一个光电转换材料，大大降低了造价，降低了每瓦电的生产价格。
图1是两级聚光器的基本原理图，如图1中所示，通过第一聚光器01，第二聚光器02和一根光纤03，整个设置用来把太阳光汇聚至太阳能电池，第一聚光器01是菲涅耳透镜，主要是为了得到很高的汇聚度的光线，其次通过第二聚光器02有两个作用：
第一个作用是汇聚通过菲涅耳透镜后的光线进入光纤。如果在光纤前使用耦合器会可以大大减弱光束进入具有较大角位移和其它安装尺寸偏差的光纤的耦合效率；
第二个作用是二次聚光，因为对透镜来说直接得到一个直径小于光纤的焦点是很难的。事实上，因为太阳光有非常广泛的光谱，焦点分布在几厘米之内，焦点直径可能过大而不能直接耦合到光纤中，否则容易造成如图1所示的损失。
在以前的报告中，第二聚光器用一个复合抛物型聚光器(CPC)。这种类型的集中器设计用来将所有的入射光以理想的汇聚度在限定的接受角度内集中至输出面。然而，在本报告中已证明输出光线具有高达90度的角度，因此，CPC不能有效地用于将光线耦合到光纤。
发明内容
本发明旨在用块状玻璃(如，二氧化硅)制成一个锥体作为第二聚光器。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于CPV的锥形聚光器，将经菲涅耳透镜所有入射光线汇聚后全部输入至光纤，其中，所述锥形聚光器的参数具有以下特征：
公式三
其中，α为锥形聚光器的输出端水平倾斜角，θ′f为锥形聚光器的输出光线接收角，θ′i为锥形聚光器的输入光线角；
公式四
其中，L为锥形聚光器的长度，2a为锥形聚光器的输出端及光纤芯的直径；
公式六
其中，2A为锥形聚光器的输入端的直径。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器，其中，锥形聚光器的输出端具有位置最大值，即z＜zmax+L，及所述锥形聚光器的输入端具有位置最小值，即z＞zmin；
其中， 公式七；
其中，z为z轴上距菲涅耳透镜的距离，zmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最大距离，L为锥形聚光器的长度，f为菲涅耳透镜的焦距，dmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜焦点的最大距离，d为菲涅耳透镜的直径，z轴为菲涅耳透镜的光轴；
其中， 公式八；
其中，zmin为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最小距离。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器，其中，锥形聚光器的长度L具有一个额外长度L′。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器，其中，锥形聚光器的输出端位于菲涅耳透镜的焦点处，即位于z＝f的位置时，
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器，其中，投射至所述锥形聚光器的输出端的入射光束的直径最小。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器，其中，当菲涅耳透镜的参数取以下值时：
d＝100mm，f＝100mm，θi＝26.565°，其中，θi为菲涅耳透镜边缘出射光线出射角；及
当光纤的参数取以下值时：
a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，ncore＝1.4600，nclad＝1.4600，θf＝28.685°；其中，NA为光纤的数值化孔径，NA＝ncore sinθf；ncore为光纤芯入射光线的折射率，nclad为光纤的复合折射率，θf为光纤入射光的接收角；
所述锥形聚光器的如下参数取以下值：
ncone＝1.4600，θ′i＝17.837°，θ′f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，ncone为锥形聚光器的折射率。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器，其中，光线在锥形聚光器中折射一次。
本发明还公开了一种用于CPV的锥形聚光器及其设计方法，包括以下步骤：
步骤一：确定锥形聚光器设计所要满足的要求，首先考虑光纤参数和锥形聚光器的输入端以将所有入射光线汇聚后全部输入至光纤，其中，光纤参数包括光纤芯的直径2a和通过光纤的数值化孔径NA得到的入射光接收角θf，其中，NA＝ncore sinθf，使锥形聚光器汇聚光线具有2a内的直径及输出光线接收角θ′f；
步骤二：限制光线在锥形聚光器中折射一次以使结构紧凑且成本低，并确定以下的锥形聚光器设计规则：
公式三；
公式四
公式六；
步骤三：锥形聚光器的定位，根据以下公式七和公式八：
公式七；
公式八；
得出锥形聚光器的输出端具有位置最大值，即z＜zmax+L，及锥形聚光器的输入端具有位置最小值，即z＞zmin。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器及其设计方法，其中，锥形聚光器的长度L具有一个额外长度L′。
根据上述一种用于CPV的锥形聚光器及其设计方法，其中，锥形聚光器的输出端位于菲涅耳透镜的焦点处，即位于z＝f的位置时，及投射至所述锥形聚光器的输出端的入射光束的直径最小。
有益效果
本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器及其设计方法，可以将经菲涅耳透镜所有入射光线汇聚后全部输入至光纤，这样可以实现数个光学单元所汇聚的高强度太阳光通过光纤引导在一片光电转换材料上，进行光电转化，这样减少了光电转化单元，利于安装维护，降低了成本。
附图说明
图1是两级聚光器的基本原理图；
图2是菲涅耳透镜和光纤为了锥形聚光器设计的满足要求的示意图；
图3是本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器的设计简图，图中示出了锥形聚光器的长度L、锥形聚光器的输出端的直径2a、锥形聚光器的输入端的直径2A及锥形聚光器的输出端水平倾斜角α；
图4是本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器的设计原理示意图；
图5是本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器具有一次折射收集菲涅耳透镜边缘出射光线设计原理示意图；
图6是本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器收集所有入射光束位置最大值处的光路图；
图7是本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器收集所有入射光束位置最小值处的光路图；
图8是本发明公开的一种用于CPV的锥形聚光器收集所有入射光束位置最优值处的光路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
图2是菲涅耳透镜和光纤为了锥形聚光器设计的满足要求的示意图；如图2所示，为了设计一个锥形，我们需要确定它必须满足的要求。首先是确定输出，光线可以很好地聚合在光纤03内。这里需要关注的光纤03参数是光纤芯半径a和通常通过NA＝ncore sinθf得到的光纤入射光的接收角θf，其中，ncore为光纤芯入射光线的折射率。聚光器必须聚合光线的直径在2a内及具有最大光纤入射光的接收角θf。
在锥形聚光器输入端的要求通过菲涅耳透镜以第一方法得到。其他要求可以考虑从偏差优化或1D跟踪系统。在第一种方法中，只有两个要求：锥形聚光器的输入端必须具有大于或等于焦点光束宽度2w的直径以能够收集所有入射光线。锥形聚光器的输入端也需要具有能够捕获来自菲涅耳透镜的边缘具有出射角θi的光线，这个出射角与菲涅耳透镜的直径d和焦距f有关，如下公式所示：
公式一；
由于锥形聚光器采用具有折射率ncone的玻璃制成的，入射光线和出射光线折射。由斯内尔笛卡尔关系，在锥形聚光器内，菲涅耳透镜边缘出射光线出射角θi和光纤入射光的接收角θf分别变为锥形聚光器的输入光线角θ′i和锥形聚光器的输出光线接收角θ′f，其关系如下列公式组二所示：
公式组二；
如图3所示，一个简单锥形聚光器04的设计参数仅仅是锥形聚光器04的长度L、锥形聚光器04的输出端的直径2a、锥形聚光器04的输入端的直径2A及锥形聚光器04的输出端水平倾斜角α。
将锥形聚光器04的输出端粘接至光纤的输入端，输出端直径2a设置为等于光纤芯直径，锥形聚光器04的输入端直径必须大于聚焦光束直径。因为我们还不确定菲涅耳透镜的数值，所以目前这个参数是不确定的。
锥形聚光器的输出端水平倾斜角α与锥形聚光器内折射后的输出光线接收角θ′f和输入光线角θ′i有关，每次折射，光束偏离光轴2α，如图4所示，θ′f＝180-θ′i-2*(90-2α-θ′i)＝θ′i+2α，因此，只要输入光线角θ′i符合条件θ′i＜θ′f-2pα，其中，p为折射的次数，锥形聚光器就能够聚合光线。因此使光线折射次数最小化以使θ′i位于θ′f以下很重要以使光线聚合进入光纤。
本发明的一个目的是设计一种结构紧凑和价格低廉的锥形聚光器。由于菲涅耳透镜必须可以恒定的收集足够的太阳能，从公式一中可以看出，角度θi越大，整个长度越短，这些限制需要将折射次数限定为1，这样就得出了第一个主要得设计规则：
公式三
其中，α为锥形聚光器的输出端水平倾斜角，θ′f为锥形聚光器的输出光线接收角，θ′i为锥形聚光器的输入光线角；
锥形聚光器的长度由一次折射条件下的光线所限定，如图5所示，并由下面公式得到：
L tanθ′f＝L tanα+2a
公式四
其中，L为锥形聚光器的长度，2a为锥形聚光器的输出端及光纤芯的直径；
锥形聚光器的输入端直径与输出端直径、输出端水平倾斜角和锥形聚光器的长度有如下几何关联：
A＝x+a＝L tanα+a 公式五
公式六
其中，2A为锥形聚光器的输入端的直径。
设计锥形聚光器以捕获菲涅耳透镜边缘出射光线及落在锥形聚光器的边缘是最坏的选择，设置z轴为光轴，原点z＝0时位于菲涅耳透镜的位置。锥形聚光器的最大值处是由光线由图6所示和公式七给出的最大距离zmax的确定。然而如果锥形聚光器的输入端直径2A足够大可以捕捉整个聚焦光束，锥体可以放在小于zmax的z点而不产生任何损失，如图7所示。这种情况下得到最小位置zmin，如公式八所示，因此，锥形聚光器的位置需要在zmin和zmax之间。
公式七
其中，z为z轴上距菲涅耳透镜的距离，zmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最大距离，L为锥形聚光器的长度，f为菲涅耳透镜的焦距，dmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜焦点的最大距离，d为菲涅耳透镜的直径，z轴为菲涅耳透镜的光轴；
公式八
其中，zmin为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最小距离。
这两个限制表明：锥形聚光器的输出端具有位置最大值，即z＜zmax+L，及所述锥形聚光器的输入端具有位置最小值，即z＞zmin，锥形聚光器的长度L可以具有一个额外长度L′。锥形聚光器的额外长度L′可以在设计上获得更大的空间，锥形聚光器的输出端位于菲涅耳透镜的焦点处，即位于z＝f的位置时，射至所述锥形聚光器的输出端的入射光束的直径最小，如图8所示，此为锥形聚光器的最佳位置。
当菲涅耳透镜的参数取以下值时：
d＝100mm，f＝100mm，θi＝26.565°，其中，θi为菲涅耳透镜边缘出射光线出射角；及
当光纤的参数取以下值时：
a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，ncore＝1.4600，nclad＝1.4600，θf＝28.685°；其中，NA为光纤的数值化孔径，NA＝ncore sinθf；ncore为光纤芯入射光线的折射率，nclad为光纤的复合折射率，θf为光纤入射光的接收角；
所述锥形聚光器的如下参数取以下值：
ncone＝1.4600，θ′i＝17.837°，θ′f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，ncone为锥形聚光器的折射率。
上述参数如表一所示：
表一：锥形聚光器的设置参数
以上所述，仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明的技术方案做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例做任何简单修改，形式变化和修饰，均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：所述锥形聚光器将经菲涅耳透镜所有入射光线汇聚后全部输入至光纤，其中，所述锥形聚光器的参数具有以下特征：
其中，α为锥形聚光器的输出端水平倾斜角，θ′f为锥形聚光器的输出光线接收角，θ′i为锥形聚光器的输入光线角；
其中，L为锥形聚光器的长度，2a为锥形聚光器的输出端及光纤芯的直径；
其中，2A为锥形聚光器的输入端的直径。
2.根据权利要求1所述的一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：所述锥形聚光器的输出端具有位置最大值，即z＜zmax+L，及所述锥形聚光器的输入端具有位置最小值，即z＞zmin；
其中，
其中，z为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的距离，zmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最大距离，L为锥形聚光器的长度，f为菲涅耳透镜的焦距，dmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜焦点的最大距离，d为菲涅耳透镜的直径，z轴为菲涅耳透镜的光轴；
其中，
其中，zmin为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最小距离。
3.根据权利要求2所述的一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：所述锥形聚光器的长度L具有一个额外长度L′。
4.根据权利要求3所述的一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：所述锥形聚光器的输出端位于菲涅耳透镜的焦点处，即位于z＝f的位置时，
5.根据权利要求4所述的一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：投射至所述锥形聚光器的输出端的入射光束的直径最小。
6.根据权利要求1所述的一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：当菲涅耳透镜的参数取以下值时：
d＝100mm，f＝100mm，θi＝26.565°，其中，θi为菲涅耳透镜边缘出射光线出射角；及
当光纤的参数取以下值时：
a＝0.50000mm，NA＝0.48000mm，ncore＝1.4600，nclad＝1.4600，θf＝28.685°；其中，NA为光纤的数值化孔径，NA＝ncoresinθf；ncore为光纤芯入射光线的折射率，nclad为光纤的复合折射率，θf为光纤入射光的接收角；
所述锥形聚光器的如下参数取以下值：
ncone＝1.4600，θ′i＝17.837°，θ′f＝19.194°，a＝0.50000mm，α＝0.67846°，L＝2.9737mm，A＝0.63522mm，其中，ncone为锥形聚光器的折射率。
7.根据权利要求1-6中任一所述的一种用于CPV的锥形聚光器，其特征在于：光线在所述锥形聚光器中折射一次。
8.一种用于CPV的锥形聚光器的设计方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤一：确定锥形聚光器设计所要满足的要求，首先考虑光纤参数和锥形聚光器的输入端以将所有入射光线汇聚后全部输入至光纤，其中，光纤参数包括光纤芯的直径2a和通过光纤的数值化孔径NA得到的入射光接收角θf，其中，NA＝ncoresinθf，使锥形聚光器汇聚光线具有2a内的直径及输出光线接收角θ′f，其中ncore为光纤芯入射光线的折射率；
步骤二：限制光线在锥形聚光器中折射一次以使结构紧凑且成本低，并确定以下的锥形聚光器设计规则：
步骤三：锥形聚光器的定位，根据以下公式七和公式八：
得出锥形聚光器的输出端具有位置最大值，即z＜zmax+L，及所述锥形聚光器的输入端具有位置最小值，即z＞zmin；
其中，α为锥形聚光器的输出端水平倾斜角；θ′i为锥形聚光器的输入光线角；L为锥形聚光器的长度；2A为锥形聚光器的输入端的直径；z为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的距离，zmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最大距离；f为菲涅耳透镜的焦距；dmax为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜焦点的最大距离；zmin为z轴上锥形聚光器的输出端距菲涅耳透镜的最小距离。
9.根据权利要求8所述的一种用于CPV的锥形聚光器的设计方法，其特征在于：所述锥形聚光器的长度L具有一个额外长度L′。
10.根据权利要求9所述的一种用于CPV的锥形聚光器的设计方法，其特征在于：所述锥形聚光器的输出端位于菲涅耳透镜的焦点处，即位于z＝f的位置时，及投射至所述锥形聚光器的输出端的入射光束的直径最小。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180619 Termination date: 20190331 |