CN112260614B - 一种太阳能聚光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能聚光器，包括主透镜、二次透镜和匀光器，所述主透镜为全反射透镜，所述二次透镜为光锥透镜或三维复合抛物面透镜，设置在所述主透镜的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜表面，再通过所述匀光器到达太阳能电池表面。本发明通过主透镜和二次透镜的设计优化聚光器系统的性能。

Description

一种太阳能聚光器
技术领域
本发明涉及光伏领域，具体而言，涉及一种太阳能聚光器。
背景技术
要想使太阳能发电更加广泛地应用于实际生产，还需要进一步降低太阳能发电的成本。为了降低太阳能发电的成本，人们研究了多种方法来降低太阳能电池的成本。聚光光伏(Concentration Photovoltaics，CPV)就是一种旨在提高光伏系统的转换效率、降低系统成本的光伏发电技术。聚光光伏系统主要包括聚光器、跟踪器、电池、模组和其他部分，聚光器和跟踪器有多种形式，因此出现了很多不同种类的聚光光伏系统，聚光光伏系统一般具有大型的跟踪系统，使得它适合于大规模工业应用。由于只有少数几家公司掌握了高效太阳能电池的生产技术，聚光光伏的发展也受到了一定的影响。但是对于聚光光伏的研究一直都在继续，并且形成了非成像光学这样一个特殊的光学分支。
其中，聚光器的引入又可能会造成电池光照不均匀、散热困难、跟踪困难等问题。为了解决上述问题，必须对聚光器进行深入的研究。聚光器是聚光光伏系统的重要组成部分，高性能的聚光器可以极大地提高系统整体性能，并且降低对系统其它部件的技术要求。一般要求高效聚光器具有聚光倍数高、容忍角大、光照均匀、光学效率高等性能，而这些要求又存在相互制约的问题，因此需要通过优化设计来保证聚光器能够达到最优的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能聚光器，以解决上述存在的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种太阳能聚光器，包括主透镜、二次透镜和匀光器，所述主透镜为全反射透镜，所述二次透镜为光锥透镜或三维复合抛物面透镜，设置在所述主透镜的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜表面，再通过所述匀光器到达太阳能电池表面。
进一步的，所述二次透镜表面镀有反射膜，所述反射膜的反射率为n。
进一步的，所述全反射透镜上表面为平面，下表面为锯齿形曲面。
进一步的，所述锯齿形曲面由一个倾斜面和一个竖直面组成，倾斜面和竖直面的夹角小于临界角。
进一步的，所述光锥透镜是方形光锥透镜。
更进一步的，所述方形光锥透镜上边长1.5mm、下边长1mm和高度2-4mm。
进一步的，所述三维复合抛物面透镜是三维介质复合抛物面透镜，所述三维介质复合抛物面透镜是方形截面复合抛物面透镜或旋转对称复合抛物面透镜。
更进一步的，当所述三维复合抛物面透镜是方形截面复合抛物面二次透镜，所述全反射透镜是方形，边长是28.28mm，二次透镜的底面的边长是1mm。
更进一步的，当所述三维复合抛物面透镜是旋转对称复合抛物面透镜，所述全反射透镜是圆形全反射透镜。
进一步的，所述匀光器是方形介质棒或空心棒。
本发明的有益技术效果：
本发明通过主透镜、二次透镜和匀光器组成太阳能聚光器，所述主透镜为全反射透镜，所述二次透镜为光锥透镜或三维复合抛物面透镜，设置在所述主透镜的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜表面，再通过所述匀光器到达太阳能电池表面。通过主透镜和二次透镜的设计优化聚光器系统的整体性能，其中，光锥聚光器很好的解决了全反射透镜的光照不均匀、容忍角小的问题，并且对系统的光学效率没有较大影响，很好的起到了平衡各参数关系的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的聚光倍数定义示意图。
图2为本发明实施例提供的聚光倍数和容忍角的关系图。
图3为本发明实施例提供的一种太阳能聚光器的示意图。
图4为本发明实施例提供的全反射透镜结构示意图。
图5为本发明第一实施例提供的方形光锥透镜示意图。
图6为本发明第一实施例提供的不同光锥参数下系统理想光通过率随入射角的变化示意图。
图7为本发明第一实施例提供的不同光锥参数下系统最大光照度值随入射角的变化示意图。
图8为本发明第一实施例提供的不同参数下系统光通过率随入射角的变化。
图9为本发明实施例提供的方形匀光器的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为便于对本发明的理解，以下先介绍太阳能聚光器的基本参数：
1聚光倍数
太阳能聚光器的聚光倍数定义为聚光器的入射面面积与出射面面积之比。如图1，聚光器的入射面面积为A，出射面面积为A’，则聚光倍数为：
Figure BDA0002723806140000061
根据tendue的微分定义dU＝dxdydpxdpy＝n2dAcosθdω
Figure BDA0002723806140000062
假设入射面是边长为a的正方形，积分可得：
U＝∫dU＝π*n2a2sin2θ＝A*n2sin2θ
同样，对于出射面：
U'＝∫dU'＝π*n'2a'2sin2θ'＝A'*n'2sin2θ'
根据étendue守恒，U＝U’，因此：
Figure BDA0002723806140000071
这就是聚光器的理论聚光极限，它说明了聚光器的最大聚光倍数和入射光线的角度范围之间具有一定的联系。
2容忍角
容忍角是聚光器的另一个重要参数。它是指聚光器光学效率下降到最大值90％时的入射角，它和聚光倍数之间的关系可以通过上式得到。容忍角越大，对于跟踪系统的要求也越低。对于高倍聚光来讲，大约有1/4的成本是跟踪系统的成本。因此，增大容忍角有助于降低高倍聚光的发电成本。
太阳位于真空中n＝1，假设电池位于折射率为n的介质中，则可以得到系统最大聚光倍数的理论值为：
Figure BDA0002723806140000072
假设n＝1.5，可以得到容忍角随最大聚光倍数的变化情况如图2所示。如图2，当聚光倍数增加到1000倍时，系统的理论最大容忍角约为±2.7°。在聚光倍数不变的情况下，为了达到最大的容忍角，需要增大折射率，或者增大电池的接收角。
在实际情况下，由于聚光器采取了对称或者一些其它的简化设计方法，容忍角达不到上图所示的水平。但是，上式对聚光器的设计仍然具有指导意义。
3光照均匀性
聚光的过程中，原本均匀的太阳光变得不再均匀。一般可用最大光照度与平均光照度的比值来表征光照均匀性。在实际应用中，要求电池表面光照度的最大值小于平均值的两倍。
电池表面光照不均匀，会导致一些负面效应。首先，将造成太阳能电池内部电流不均匀，由此导致的串联电阻，会降低太阳能电池的效率。另一方面，受热不均匀会影响太阳能电池的寿命。因此，必须对聚光器的光照均匀性进行优化设计。然而，同一个聚光器，即使对于某一角度的入射光来说光照是均匀的，对于另一个角度的入射光，光照也可能是不均匀的。而且，光照均匀的设计，不可避免地会降低聚光倍数或者容忍角。因此，为了更加有效地增加系统光照的均匀性，很多高倍聚光系统都会引入匀光器，以及一些匀光设计方法如柯拉
Figure BDA0002723806140000081
设计等。
以下详述本发明实施例的具体内容。
如图3所示，本发明第一实施例提供了一种太阳能聚光器，包括主透镜10、二次透镜20和匀光器30，所述主透镜10为全反射透镜，所述二次透镜20为光锥透镜，设置在所述主透镜10的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜20表面，再通过所述匀光器30到达太阳能电池表面。
在本实施例中，如图4，所述全反射透镜上表面为平面，下表面为锯齿形曲面，所述锯齿形曲面由一个倾斜面和一个竖直面组成，倾斜面和竖直面的夹角小于临界角。全反射透镜的外形与菲涅尔透镜非相似，但是它们的工作原理是不同的，全反射透镜的每个“锯齿”都由一个倾斜面和一个竖直面组成，倾斜面和竖直面的夹角小于临界角；而对于菲涅尔透镜则相反，这两个面的夹角必须大于临界角。由于全反射透镜主要依靠反射改变光的方向，因此它具有较小的色散。同时，它的焦距也远小于菲涅尔透镜的焦距，因此具有更大的聚光倍数和容忍角。
在本实施例中，所述二次透镜20表面镀有反射膜，所述反射膜的反射率为n，所述二次透镜20可为光锥透镜，光锥透镜可选择方形光锥透镜，就是台体光锥，如图5。方形光锥透镜主要有三个参数，上边长a、下边长b和高度h。我们使下底面边长为b＝1mm不变，通过改变上边长和高度h来分析光锥聚光器的性质。为了研究方便，只考虑太阳光0°入射的情况。
表1不同台体光锥参数下的理想光学效率
Figure BDA0002723806140000091
从上表可以看出，当光锥的长度增加的时候，二次透镜20的通过率可能增大，也可能减小。当a＝1.5mm和1.6mm而2mm≤h≤4mm时，方形光锥透镜可以接收由全反射收集的全部太阳光。因此，我们将对a＝1.5mm和a＝1.6mm的情况进行对比。
从图6-7可以看出，a＝1.5mm时的理想光通过率都大于a＝1.6mm时的理想光通过率，而两种情况下的理想光通过率又随着h的增大而增大。a＝1.5mm时系统的最大光照度都大于a＝1.6mm时的最大光照度，而两种情况下系统的最大光照度又随着h的增大而减小。因此，综合两方面的因素，a＝1.5mm，h＝3mm时系统的效率是最高的，容忍角是最大的，而光照均匀度也满足应用要求。此时，系统的容忍角大约是1.3°，在容忍角范围内最大光照度为平均值的1.9倍。如图8，当去掉反射膜之后，a＝1.5mm，h＝3mm时容忍角下降到1.1°，但是整体的光通过率仍然大于依靠反射率为96％的二次透镜工作时的光通过率。
在本实施例中，所述匀光器30是方形介质棒或空心棒，侧面镀有反射膜，其底面可放置太阳能电池。其基本原理是光的反射原理，如图9所示。当没有匀光器30存在的时候，面积为A的发散的光在自由空间中传播，光束的面积扩大到B。当放上匀光器30之后，光束将受到匀光器30的限制在面积为A的部分内传播。由叠加原理，原本落在匀光器30外部的光和匀光器30底部的光照度相互叠加，形成均匀光照。
本实施例提供了一种太阳能聚光器，包括主透镜10、二次透镜20和匀光器30，所述主透镜10为全反射透镜，所述二次透镜20为光锥透镜，设置在所述主透镜10的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜20表面，再通过所述匀光器30到达太阳能电池表面。光锥透镜作为全反射透镜的二次透镜20，使得系统具有较高的聚光倍数、容忍角和效率，同时系统的光照均匀度又可以满足应用要求。
本发明第二实施例提供了一种太阳能聚光器，如图3所示，包括主透镜10、二次透镜20和匀光器30，所述主透镜10为全反射透镜，所述二次透镜20为三维复合抛物面透镜，设置在所述主透镜10的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜20表面，再通过所述匀光器30到达太阳能电池表面。
在本实施例中，如图4，所述全反射透镜上表面为平面，下表面为锯齿形曲面，所述锯齿形曲面由一个倾斜面和一个竖直面组成，倾斜面和竖直面的夹角小于临界角。全反射透镜的外形与菲涅尔透镜非常相似，但是它们的工作原理是不同的，全反射透镜的每个“锯齿”都由一个倾斜面和一个竖直面组成，倾斜面和竖直面的夹角小于临界角；而对于菲涅尔透镜则相反，这两个面的夹角必须大于临界角。由于全反射透镜主要依靠反射改变光的方向，因此它具有较小的色散。同时，它的焦距也远小于菲涅尔透镜的焦距，因此具有更大的聚光倍数和容忍角。
在本实施例中，所述三维复合抛物面透镜可选择方形截面复合抛物面透镜，方形截面复合抛物面透镜是由两组相同的互相垂直的二维复合抛物面相交而成，此时所述全反射透镜选择方形全反射透镜，边长是28.28mm，二次透镜20的底面的边长即电池的边长是1mm。
在本实施例中，当所述三维复合抛物面透镜是旋转对称复合抛物面透镜，是将二维复合抛物面对称的两条抛物线绕对称轴旋转一周而成，此时使用圆形全反射透镜和圆形电池，它们的半径分别为15mm和0.5mm，复合抛物面透镜的反射使得光束的发射角接近180°，利用镀有反射膜的匀光器可以改善光照均匀性。
在本实施例中，所述匀光器30是方形介质棒或空心棒，侧面镀有反射膜，其底面可放置太阳能电池。其基本原理是光的反射原理，如图9所示。当没有匀光器30存在的时候，面积为A的发散的光在自由空间中传播，光束的面积扩大到B。当放上匀光器30之后，光束将受到匀光器30的限制在面积为A的部分内传播。由叠加原理，原本落在匀光器30外部的光和匀光器30底部的光照度相互叠加，形成均匀光照。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种太阳能聚光器，其特征在于，包括主透镜、二次透镜和匀光器，所述主透镜为全反射透镜，所述二次透镜为光锥透镜，设置在所述主透镜的正下方，太阳光通过所述全反射透镜依次经过折射、全反射、折射过程到达所述二次透镜表面，再通过所述匀光器到达太阳能电池表面；
所述光锥透镜是方形光锥透镜，所述方形光锥透镜上边长1.5～2mm、高度2-4mm。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述二次透镜表面镀有反射膜，所述反射膜的反射率为n。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述全反射透镜上表面为平面，下表面为锯齿形曲面。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述锯齿形曲面由一个倾斜面和一个竖直面组成，倾斜面和竖直面的夹角小于临界角。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述方形光锥透镜上边长1.5mm、下边长1mm。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述全反射透镜是方形，边长是28.28mm，方形截面复合抛物面透镜的底面的边长是1mm。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述全反射透镜是圆形全反射透镜。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光器，其特征在于，所述匀光器是方形介质棒或空心棒。
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