CN107070393A - 一种用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜，根据太阳电池对称性和电池栅线对称性，将菲涅尔透镜分成若干区域，每个区域所聚焦光强均处于偏离太阳电池中心向太阳电池主栅靠近区域，将太阳电池吸收光主要集中在电池中心处偏离。本发明的有益效果是菲涅尔透镜设计简单，结构简单，易于加工制造，应用广泛，菲涅尔透镜起到的主要作用是将太阳电池吸收光的主要部位集中在靠近主栅处，从而减少光生电子在太阳电池细栅上流动的距离，最终达到减少细栅发热功率的效果，有利于太阳电池效率的提高。
Description
技术领域
本发明属于新能源以及太阳电池领域，尤其是涉及一种用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜。
背景技术
菲涅尔透镜多是由聚烯烃注压而成的薄片，其镜头表面为平面或光面，而背面刻有从小到大的锯齿状同心圆，同心圆之间的光学材料弧度与一个凸透镜相同，使得入射到透镜的光线汇聚到一个焦点。菲涅尔透镜目前广泛使用的方式主要有两种，一种是点聚焦，即焦点为一个点，另一种是线聚焦，其焦点为一条线。
由于菲涅尔透镜结构简单，而且可以低成本大批量制造，因此菲涅尔透镜在聚光型太阳电池领域有着重要的应用。聚光太阳电池中，由于电池电流较大，因此如果光照汇集到电池的某一部分，即光强分布不均，则会造成较大的栅线发热损失，进而造成转换效率下降，因此聚光太阳电池中提高太阳电池表面光强的均匀性有着重要的意义。
目前在聚光太阳电池中，菲涅尔透镜的设计多采用点聚焦的方式，公开号为CN101694540 A的专利提到修正菲涅尔透镜的每一个环带，将其齿距、齿高、曲率、圆锥系数进行独立计算，借此发散其焦点，以获得提高太阳电池表面光强均匀性的效果。公开号为CN101943765 A的专利提到使用凸透镜和菲涅尔透镜组合使用，以保证较高的透过率又能保证光照的均匀性，但是由于凸透镜成本较高，而且实施工艺变得复杂，因此实施起来有较大难度。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种聚光太阳电池的菲涅尔透镜，尤其适合聚光太阳电池使用，对不同栅线设计的太阳电池提供相应的菲涅尔透镜设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于聚光太阳电池的菲涅耳透镜，包括若干区域，每个区域所聚焦光强均处于偏离太阳电池中心向太阳电池主栅靠近。
一种用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜的设计方法，根据太阳电池对称性和栅线对称性，将菲涅尔透镜分成若干区域，每个区域所聚焦光强均处于偏离太阳电池中心向太阳电池主栅靠近。
其中，每个区域的环带设计保持一致，每一条主栅对应的区域环绕菲涅尔透镜中心点旋转之后可以覆盖其他主栅对应区域。
每个区域所聚焦光强分布的设计方式为在太阳电池每个主栅附近分配一个焦点。
每个区域所聚焦光强分布的设计方式为在太阳电池每个主栅附近分配一个点状焦线。
本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，菲涅尔透镜设计简单，结构简单，易于加工制造，应用广泛，菲涅尔透镜起到的主要作用是将太阳电池吸收光的主要部位集中在靠近主栅处，从而减少光生电子在太阳电池细栅上流动的距离，最终达到减少细栅发热功率的效果，有利于太阳电池效率的提高。
附图说明
图1是本发明的菲涅尔透镜的原理图
图2是本发明的菲涅尔透镜的设计参数示意图
图3是一种聚光砷化镓太阳电池的双主栅栅线设计示意图
图4是单一焦点的菲涅尔透镜设计图
图5是通过图4方法获得的菲涅尔透镜的一种设计形式
图6是一种聚光砷化镓太阳电池的4主栅栅线设计示意图
图7是本发明的菲涅尔透镜的一种设计形式
图中：
1、光线 2、焦点 3、菲涅尔透镜
4、主栅 5、细栅
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的说明。
根据图示对本发明的实施例进行介绍，为了表述方便，在图示中夸大了图形比例及尺寸，因此在实际应用中应根据本发明提供的方法进行具体参数设定和模型设计，以确定实际的产品比例和尺寸。
本发明提供了一种用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜分成若干区域，每个区域所聚焦光强均处于偏离太阳电池中心向太阳电池主栅靠近。在太阳电池中，光生电子沿着太阳电池表面收集到细栅，然后沿着细栅汇聚到主栅，根据主栅的个数将菲涅尔透镜分成若干区域，每个区域对应一个太阳电池主栅，将太阳电池吸收光的主要部位集中在靠近主栅处，从而减少光生电子在太阳电池细栅上流动的距离，最终减少细栅发热功率的效果。
菲涅尔透镜的每个区域的环带设计保持一致，每一条主栅对应的区域环绕菲涅尔透镜中心点旋转之后可以覆盖其他主栅对应区域，这样设计能够降低菲涅尔透镜设计的难度。
菲涅尔透镜的每个区域达到所聚焦光强分布的一种设计方式为在太阳电池每个主栅附近分配一个焦点。这样设计是将菲涅尔透镜表面收集的光能尽可能分配到每一条主栅附近，从而尽可能减少光生电流在细栅上的消耗。例如：在太阳电池主栅电极数为2的栅线设计中，菲涅尔透镜的区域个数至少为2个，这两个区域的焦点均处于太阳电池中心与每个主栅之间，在太阳电池主栅电极数为4的栅线设计中，菲涅尔透镜的区域个数至少为4个，这4个区域的焦点均处于太阳电池中心与每个主栅之间。
菲涅耳透镜的每个区域达到所聚焦光强分布的设计方式为在太阳电池每个主栅附近分配一个点状焦线。这样设计可以更充分利用电池栅线，在更大程度上减少光生电流在细栅上的消耗。例如：在太阳电池主栅电极数为2的栅线设计中，每条栅线对应的区域应大于2个，每一个区域的焦点沿着主栅平行方向平移一个位置，从而形成一条位于电池中心线与主栅之间的点线状分布的光焦点分布。
对同一块太阳电池用的菲涅尔透镜进行设计时，这两种设计方式所得到的菲涅尔透镜的环带是一样的。
在太阳电池上表面设置反射式二次光学元件，可以对部分超出太阳电池区域的光线进行二次收集。
本发明根据电池对称性和电池栅线对称性来设计菲涅尔透镜对称性，这种设计方式对聚光太阳电池的形状和栅线设计是主栅的条数不做限制，任何形状和主栅条数的聚光太阳电池均可满足设计要求。
实施例1
如图1所示，将菲涅尔透镜分为多个区域时，光线1通过菲涅尔透镜3进行聚焦，每个区域的焦距相同而焦点2不同，本实施例中采用菲涅尔透镜3在太阳电池表面每一条栅线处分布一个焦点2的设计方式。其中在简化模型图2中，设菲涅尔透镜的折射率为n，焦距为f，距离光轴为r处环带的倾斜角度为α，α与r的关系可以表示为：
n×sinα＝sin[α+arctan(r/f)]
根据上述公式对菲涅尔透镜进行设计，对菲涅耳透镜进行区域分割和平移，可以实现多数太阳电池栅线设计的菲涅尔透镜设计。
如图3所示，在双主栅4设计的太阳电池中，太阳电池的长度为L，对所设计的菲涅尔透镜在偏离中心L/4处对A区域作轴对称处理，如图4所示，最终可以获得菲涅尔透镜的设计结果。图5表示通过图4设计的菲涅尔透镜示意图，在保证菲涅尔透镜的中心环带分布不变的情况下，可以对菲涅尔透镜边缘作适当切割，以满足具体实践的尺寸要求。
实施例2
聚光太阳电池的栅线有时也会采用如图6所示的设计，栅线采用4个主栅3方式进行电流收集，这种栅线设计由于增加了主栅3的条数，可以有效降低栅线的发热状况。在这种情况下，如图7所示，将菲涅尔透镜划分为4个区域，使每个区域的光轴位置设置在电池靠近主栅3的四个角上，可以获得所需的光强分布状况。
本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，菲涅尔透镜设计简单，结构简单，易于加工制造，应用广泛，菲涅尔透镜起到的主要作用是将太阳电池吸收光的主要部位集中在靠近主栅处，从而减少光生电子在太阳电池细栅上流动的距离，最终达到减少细栅发热功率的效果有利于太阳电池效率的提高。
以上对本发明的两个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (5)
1.一种用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜，其特征在于：菲涅尔透镜包括若干区域，所述每个区域所聚焦光强均处于偏离太阳电池中心向太阳电池主栅靠近处。
2.一种如权利要求1所述的用于聚光太阳电池的菲涅耳透镜的设计方法：根据太阳电池对称性和栅线对称性，将菲涅尔透镜分成若干区域，所述每个区域所聚焦光强均处于偏离太阳电池中心向太阳电池主栅靠近处。
3.根据权利要求2所述的用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜的设计方法，其特征在于：所述的每个区域的环带设计保持一致，每一条主栅对应的区域环绕所述菲涅尔透镜中心点旋转之后可以覆盖其他主栅对应区域。
4.根据权利要求2或3所述的用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜的设计方法，其特征在于：所述每个区域所聚焦光强分布的设计方式为在所述太阳电池每个主栅附近分配一个焦点。
5.根据权利要求2或3所述的用于聚光太阳电池的菲涅尔透镜的设计方法，其特征在于：所述每个区域所聚焦光强分布的设计方式为在所述太阳电池每个主栅附近分配一个点状焦线。
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| CN108957740A (zh) * | 2018-08-28 | 2018-12-07 | 北京汉能光伏投资有限公司 | 聚光透镜界面线的绘制方法、装置、介质及电子设备 |
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2016
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