CN202008547U

CN202008547U - 一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件

Info

Publication number: CN202008547U
Application number: CN2011200760694U
Authority: CN
Inventors: 王钦华; 刘立旺; 薛银飞; 沈安珍
Original assignee: SUZHOU ZHENDAN PHOTOVOLTAIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Suzhou Zhendan Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2021-03-22

Abstract

一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件，所述光学聚光元件包括正对太阳的入射面和出射面，此出射面上设有若干个依次连接的锯齿同心环，各个锯齿同心环径向宽度相等，每个锯齿同心环包括一垂直于所述出射面的第一表面和第二表面，此第二表面呈弧形且为非球面，此第二表面一端连接到所述出射面，此第二表面另一端与所述第一表面另一端连接。本实用新型此聚光元件焦斑尺寸较小、聚光比高、形成的焦斑位置稳定，且其光斑受环带数的影响小，提高系统整体灵活性且有利于降低聚光器加工制作难度。

Description

一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件

技术领域

本实用新型涉及一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件，属于太阳能应用领域。

背景技术

能源问题，已经成为我国经济发展的一个重要问题。可再生能源的利用，将成为解决我国能源供给和能源安全的关键。其中，太阳能发电是最理想的新型能源方式。尽管太阳能发电技术发展迅速，但是仍然存在成本高、效率低等问题。目前，聚光光伏太阳能技术（CPV）将传统的太阳能光电技术与大规模聚热太阳能发电厂结合起来，极大地强化太阳能生产，聚光光伏太阳能技术（CPV）通过聚光的方式把一定面积上的光通过聚光系统会聚在一个狭小的区域（焦斑），太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了太阳能电池的用量，降低成本。同样条件下，倍率越高，所需太阳能电池面积越小。但是，现有的太阳能光伏系统聚光效果较差，主要体现在以下几点：如附图1所示，现有的聚光元件形成的焦斑尺寸较大、聚光比差。其次，如附图2所示，现有的聚光元件所形成的焦斑随环数的变化明显。再次，附图3（a）为聚光器与电池单元无相对偏移的示意图，附图3（b）为聚光器与电池单元有相对偏移，从附图可知现有技术中光学聚光元件的焦斑较大随着元件相对位置的变化，部分焦斑会偏离电池单元。这种现象会降低太阳光利用率，影响光伏系统的总功率。

发明内容

本实用新型提供一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件，此聚光元件焦斑尺寸较小、聚光比高、形成的焦斑位置稳定，且其光斑受环带数的影响小。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件，所述光学聚光元件包括正对太阳的入射面和出射面，此出射面上设有若干个依次连接的锯齿同心环，各个锯齿同心环径向宽度相等，每个锯齿同心环包括一垂直于所述出射面的第一表面和第二表面，此第二表面呈弧形且为非球面，此第二表面一端连接到所述出射面，此第二表面另一端与所述第一表面另一端连接。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

本实用新型中中光学聚光元件的出射面为弧形面且为非球面，可以有效消除聚光元件工作面的球差，使得透镜焦点处的焦斑面积更小，并且在无需通过增加透镜环带数的基础上就可以得到很小的焦斑，焦斑大小受环带数的影响很小，不仅降低了光学聚光元件本身的加工难度而且还可以进一步减少太阳能电池板的使用面积，降低成本；其次，采用弧形面且为非球面的光学聚光元件时，对中心位置偏移的误差容忍度高，这种特性提高了利用此光学聚光元件的光伏系统的灵活性，当聚光元件的中心位置与太阳能电池单元的中心位置发生偏移，聚焦的光斑仍然会照射在电池单元上，从而有利于光伏系统的太阳能收集。

附图说明

附图1为现有技术不同环数聚光元件的光线追迹图及焦点处点列示意图；

附图2为现有技术不同环数聚光元件的光路图及局部放大图；

附图3为现有技术发生聚光元件偏移时接受屏获得的效率与光路图；

附图4为本实用新型光学聚光元件的剖面示意图；

附图5为本实用新型聚光元件的光线追迹图及焦点处点列示意图；

附图6为本实用新型不同环数的光路图及局部放大图；

附图7为本实用新型聚光元件发生偏移时接受屏获得的效率与光路图。

以上附图中： 1、光学聚光元件；2、入射面；3、出射面；4、锯齿同心环；5、第一表面；6、第二表面。

具体实施方式

下面结合附图1-7及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件，所述光学聚光元件1包括正对太阳的入射面2和出射面3，此出射面3上设有若干个依次连接的锯齿同心环4，各个锯齿同心环4径向宽度相等，每个锯齿同心环4包括一垂直于所述出射面3的第一表面5和第二表面6，此第二表面6呈弧形且为非球面，此第二表面6一端连接到所述出射面3，此第二表面6另一端与所述第一表面5另一端连接。

以所述光学聚光元件1的圆心为坐标原点，Y轴垂直于所述出射面，X轴位于所述出射面内，所述第N锯齿同心环的第二表面6上各点坐标为（x,y），此（x,y）满足以下公式：

Figure 2011200760694100002DEST_PATH_IMAGE001

（1）

公式中所述d为环间距，f为光学聚光元件的焦距， n为光学聚光元件的材料折射率，N为待设计的锯齿同心环的环数。

上述光学聚光元件材料为有机玻璃。

用折射率为n的材料设计一口径为D的光学聚光元件1，此光学聚光元件1焦距为f。各个锯齿同心环4采用等间距，间距为d，该光学聚光元件1的总环带数则为M=0.5*D/d。

对于光学聚光元件1第一个锯齿同心环，即

Figure 2011200760694100002DEST_PATH_IMAGE002

, 若要使垂直入射到该光学聚光元件入射面的光线都能汇聚到焦点f处，则第一锯齿同心环的弧形第二表面上x,y坐标符合以下公式：

Figure 2011200760694100002DEST_PATH_IMAGE003

（2）

在

Figure 2011200760694100002DEST_PATH_IMAGE004

范围内对x进行合适地取点利用公式2可以求出各个点对应的y坐标值，即可得出该光学聚光元件1的第一锯齿同心环4的弧形且为非球面的第二表面6。

对于该光学聚光元件1第二锯齿同心环，即, 若要使垂直入射到光学聚光元件入射面的光线都能汇聚到焦点处，则第二个锯齿同心环的弧形且为非球面的第二表面6上x,y坐标符合以下公式：

Figure 2011200760694100002DEST_PATH_IMAGE006

（3）

在

范围内对x进行合适地取点，由公式3可以求出对应的y坐标，即可得出该光学聚光元件1的第二个锯齿同心环4的弧形且为非球面的第二表面6。

依次类推，对于该光学聚光元件1第N锯齿同心环，即

Figure 2011200760694100002DEST_PATH_IMAGE008

,该第N个锯齿同心环的弧形第二表面透镜6上任意一点（x,y）满足：

（4）

可得出该光学聚光元件1的第N个锯齿同心环4的弧形且为非球面的第二表面6。

本实用新型其光线追迹图以及焦平面点列图见图5。从图5中可以清楚地看出，所有垂直入射的平行光线均可以更为准确地会聚于焦点处，只形成很小的焦斑，焦斑半径分别是0.053 mm, 0.0409 mm, 0.0499 mm。此外，即便在环带数很小的时候也能实现较好地聚焦，可见本光伏系统不仅焦斑较现在常规设计方法更小，而且焦斑大小受环带数的影响很小，无需为了提高聚焦效果而大大增加环带数，使得加工生产更容易。

图6为不同环数非球面镜的光路图，和聚焦处局部放大图，每个图中同样有一个等面积的接收板，由图6可以看出10环非球面工作面聚光器，其聚焦光斑的大小明显比10环现有技术设计的聚光器的小很多，和接收屏相比差距巨大，随着透镜环数的增加，聚焦光斑相对于接收屏的面积基本不变，焦斑一直非常的小。

通过附图2和附图6的聚焦情况随环数的变化，在同样数目的环数情况下进行对比，本实用新型光学聚光元件所形成的焦斑都比现有技术小好多，例如在50环时，本实用新型光学聚光元件光斑直径约为0.1 mm，而现有技术的光斑达到了1 mm。再一次证明了本实用新型光学聚光元件不仅焦斑较现在现有技术更小，而且焦斑大小受环带数的影响很小，无需为了提高聚焦效果而大大增加环带数，使得加工生产更容易。

附图7（a）为聚光器与电池单元无相对偏移的图，附图7（b）为聚光器与电池单元有相对偏移的图，通过比较附图3和附图7，可以看到当电池单元与聚光器元件发生相对偏移时，本实用新型所受的影响比现有技术小的多，且其效率没有减少，而现有技术效率却减少了7%，这主要是因为有部分焦斑没有照射在电池单元上。说明本实用新型光学聚光元件对相对偏移所带来的误差容忍度很高, 有利于提高系统的整体灵活性。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于聚光太阳能系统的光学聚光元件，其特征在于：所述光学聚光元件（1）包括正对太阳的入射面（2）和出射面（3），此出射面（3）上设有若干个依次连接的锯齿同心环（4），各个锯齿同心环（4）径向宽度相等，每个锯齿同心环（4）包括一垂直于所述出射面（3）的第一表面（5）和第二表面（6），此第二表面（6）呈弧形且为非球面，此第二表面（6）一端连接到所述出射面（3），此第二表面（6）另一端与所述第一表面（5）另一端连接。