罗春华;张贺;李艳红
【摘 要】为了解决太阳光经传统菲涅尔聚光镜聚光后太阳能电池接收面上的光强分布不均匀问题,设计了一种环带式菲涅尔聚光镜.根据菲涅尔环带设计方法,把接收面划分为与之对应的环带,使光线在经过菲涅尔聚光镜的表面环带后进入相应的接受面环带,减少了光能损失并提高了光强分布均匀性.给出了在350 nm ~760 nm波段范围内太阳张角角度为0.54°、口径200 mm、高宽比为0.65、聚光比为400的菲涅尔聚光系统设计实例,通过T racepro模拟并分析了菲涅尔聚光镜的光学能力.结果表明:在接收面尺寸相同的情况下与参数相同的的传统匀光菲涅尔聚光镜相比,此环带菲涅尔透镜光斑能量分布均匀性达到75%.%In order to solve the problem of nonuniform distribution of light intensity on the re-ceiving surface of solar cells after the solar light was collected by the conventional Fresnel con-centrator,a belt type Fresnel concentrator was designed.According to the Fresnel belt design method,the receiving surface was divided into corresponding zones,which made the light first pass through the surface belt of Fresnel condenser then enter the corresponding receiving surfac scr-035e strip,so as to reduce the optic energy loss and improve the uniformity of light intensity distribu-tion.This paper gave an example of Fresnel condenser system with the solar flare angle of 0.54°, the diameter of 200 mm,the height width ratio of 0.65 and the concentration ratio of 400 in the wavelength range of 350 nm~760 nm,simulated and analyzed the optic capability of Fresnel con-denser by Tracepro.Results show that compared with traditional uniform Fresnel lens condenser of the same parameters and in the case of the same size receiving surface,the spot energy distri-bution uniformity of the belt-type Fresnel lens reaches 75%.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2018(039)001
【总页数】5页(P7-11)
【关键词】光学设计;菲涅尔聚光镜;焦斑;聚光光伏
牵引带
【作 者】罗春华;张贺;李艳红
【作者单位】长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022
【正文语种】中 文
【中图分类】高速车针O435.2;TH703
引言
目前，聚光光伏发电研究还处于起步阶段，许多核心技术受聚光光伏企业和研究机构垄断。国外对于菲涅尔透镜的研究主要有：西班牙马德里理工大学的Pablo Benitez和LPI ( Light Prescriptions Innovators)公司的A.Cvetkovic等人设计了一种菲涅尔-科勒(Fresnel-Kohler, FK)聚光系统，采用非旋转对称结构设计。中科院上海高能研究院付菩研究员和德国聚光光学公司的Ralf Leutz等人使用同一菲涅尔透镜作为主聚光元件，设计了万花筒、半卵形及穹顶万花筒3种不同形状的二次聚光元件。韩国RyLI等人提出了一种模块化菲涅尔透镜设计方案，透镜由多个模块组成，不同模块在焦平面聚焦位置不同，通过不同模块的光强叠加改善聚光分布均匀性。在其关键部件——聚光镜的设计方面，商业聚光光伏电站校正曲线
中采用的菲涅尔聚光镜[1-2]，普遍存在光学设计简单、聚光效果不理想的缺点，仍有诸多技术问题至今未得到很好解决。太阳能光伏发电的成本较高，是普通煤电成本的6～8倍。因此，提高太阳能的利用效率、降低成本是目前太阳能光伏发电的主要研究方向。采用聚光光伏发电系统，太阳能聚光器的价格相比太阳能电池是较低的，通过使用大面积的反射或者折射聚光光学系统，将太阳光聚焦到一个更小区域的太阳能电池接收器上，减少了光伏电池的使用面积[3-4]，同时又增加了聚光太阳能电池的能量密度，可以在很大程度上降低光伏发电成本。然而传统菲涅尔聚光镜主要基于成像光学的点聚焦原理设计，特别是像面尺寸过大，容易造成聚焦光斑不均匀，从而导致聚光光伏电池的局部过热，引起其级联电阻增大，光电转化效率降低。针对上述问题，本文提出菲涅尔聚光镜环带与太阳能电池环带一一对应设计方法，从而使聚焦光斑光强分布均匀。
1 环带式菲涅尔聚光镜设计原理
单个环带曲面光线如图1所示。设n为菲涅尔透镜折射率，在菲涅尔透镜环带曲面中心顶点做曲面切线， γ为曲面中心顶点切线与垂轴之间夹角，θ为入射角，θi为折射角，ui为折射光线与菲涅尔透镜中心轴线夹角[5-7]，R为该环带到菲涅尔透镜中心半径，f为菲涅尔透镜焦距。 图1 单个环带曲面光线示意图Fig.1 Ray diagram of a single belt surface
根据光学几何原理可知：
(1)bim施工模拟
γ=θ
防洪闸门(2)
ui=θi-γ
(3)
由上式得出：
(4)
根据折射定律可得：
(5)
根据(3)式和(5)式可得：
(6)
根据(4)式和(6)式可得：
(7)
根据(1)式，(3)式和(7)式得出θ,θi,ui,应用正弦定律可得：
(8)
根据(8)式可以得出相应环带曲面曲率c，进而可以进行环带曲面设计。菲涅尔环带曲面设计采用ASAS[8]，ASAS是由一个中心圆形非球面和一个或多个环形非球面组成的旋转对称系统。ASAS公式定义如下：
Z(R)=
(9)
(10)
式中：Z(R)为菲涅尔透镜各个环带曲面；R为沿光轴起菲涅尔径向半径；ci为每个环带曲面顶点曲率；ki表示曲面圆锥常量；ai和bi分别为R4和R6系数常量；△z表示2个相邻环带曲面不契合度。
应用ASAS到菲涅尔透镜环带曲面[9]，首先应确定菲涅尔透镜有多少环带曲面，然后确定每个环带曲面宽度。设计环带式菲涅尔聚光镜，使得每个环带在焦平面上形成一个环面焦斑，进而使这些焦斑在焦平面上均匀分布，即将半径为R的圆形菲涅尔透镜按面积平均分成m环带，每一环的半径为Ri，再将半径为r的接收面也分成同等数量的环带，每一环的半径为ri。
根据上述ASAS环带曲面设计方法，利用Zemax软件的多重结构设计功能，设计菲涅尔各个环带曲面，如图2所示。入射光线Ri+1,Ri,Ri-1经过菲涅尔透镜中某个环带后，入射到接收面与之对应的ri+1,ri,ri-1环带位置，通过设计与优化，使光线在经过菲涅尔表面环带入射到接收面对应环带满足ri+1-ri=ri-ri-1,这样可以保证光线到达接收面是均匀分布，形成如图2右侧所示的均匀环带。
图2 光线传播分布Fig.2 Light propagation distribution
2 设计实例
2.1 聚光性能参数定义
表征菲涅尔透镜聚光性能的主要参数有光学聚光比、聚光效率和聚光分布均匀度。
聚光比是评价菲涅尔透镜聚光性能是否优良的一个重要参数[10-11]，分为几何聚光比(Cg)和光学聚光比(Co)。Cg是指菲涅尔透镜的入射口径面积S1和出射口径面积S2之比，即：
Cg=S1/S2
(11)
光学聚光比Co是菲涅尔透镜的几何聚光比Cg和菲涅尔透镜的光学效率η的乘积，即：
Co=Cg×η=S1/S2×η
(12)
聚光效率η是输出面和输入面辐射通量之比，即：
η=Eo/E
(13)
式中：Eo表示输出面的总辐射通量；E表示输入面的总辐射通量。
高宽比&为菲涅尔透镜聚光系统的焦距与菲涅尔透镜直径的比值，即：
(14)
根据IEC60904-9国际标准的规定，光斑能量的均匀度可以表示为
(15)
式中：Emax和Emin代表光能接受面上光照强度的最大值和最小值。本文用Tracepro软件模拟聚光系统的光照度图，记录的最小值为一般量级的数值，所以用最大值代替平均值来计算光斑均匀度，Emean代表光能接收面上光照强度的平均值，即：
(16)
2.2 环带式菲涅尔聚光镜设计实例
设等宽环带式菲涅尔聚光镜设计参数为：菲涅尔透镜为圆形，环带数为10，聚光比为400，高宽比为0.65。太阳能电池接收面为10 mm×10 mm,根据聚光比公式(11)得出菲涅尔透镜口径为200 mm,由高宽比公式(14)得出焦距为130 mm。菲涅尔透镜分为等齿宽和等齿高2种形式，但是经过设计，发现等齿宽形式对光线的控制更精确，达到的聚光效果更好，所以采用等齿宽环带菲涅尔透镜。通过ASAS环带曲面设计方法，经过光学设计软件Zemax反复优化设计，得出各个环带齿高、曲率半径及半径系数，如表1所示。
根据参数要求和表1得出环带式菲涅尔聚光镜环带曲面数据，使用结构软件solidworks画出其结构曲线，如图3所示。连接各个曲线，生成结构实体如图4所示。
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