户外聚光测试系统设计

为了提高聚光系统的聚光效率,设计了一种户外聚光测试系统.选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象,采用局部测量法测试其性能.利用软件模拟聚光系统的透过率、聚光效率和聚光光斑照度分布,并利用户外聚光测试系统对二阶菲涅耳聚光系统进行实验测试.将模拟结果与实验结果对比发现:二者的光斑分布均匀性比较接近,透过率相差1.800％;聚光效率...     

室内聚光测试系统的研究

为弥补因太阳模拟器光线发散角大、测试口径小不适用于光伏聚光系统测试的缺陷,设计了大口径、高平行度的事内聚光测试系统.另外还提出了一种新的聚光测试方法:分立光谱局部测量法.首先选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象,利用单色光局部测量法测试该聚光系统的聚光效率,然后利用各种单色光的权重与聚光效率计算聚光系统的平均聚光效率,最后将...     

双面菲涅耳聚光镜设计

为了减小光伏发电聚光系统的轴向尺寸,使聚光系统的厚度更薄、质量更轻,讨论设计了一种透射式双面菲涅耳聚光镜。通过设计,使光线在通过双面菲涅耳聚光镜的前表面环带后进入相应的后表面环带,减少了光能损失,使太阳能电池获得的能量密度更高。推导并给出了双面菲涅耳透镜的后表面环带设计公式。用光学设计软件Light Tools模拟了双面菲涅耳聚光镜的光学能力,并对模拟结果进行了分析评价。给出了一个口径为200 mm,焦距为120 mm,F数为0.6的双面菲涅耳聚光镜设计实例,在波段为380~760 nm,太阳张角为0.55°时,聚光系统的聚光效率达到85%,与相同口径相同焦距的传统菲涅耳透镜相比,聚光效率提高了21.1%。     

基于紫外纳米压印的菲涅耳透镜制作

针对传统聚光系统中菲涅耳透镜成本较高并且光强分布不均匀的弊端,提出了利用紫外纳米压印技术制作菲涅耳透镜的方法.利用几何光学的光线追迹理论,设计了菲涅耳透镜模具.采用自行研制的紫外纳米压印系统对模具进行压印,紫外曝光后制得薄膜菲涅耳透镜.在太阳光下进行了测试,测试结果表明,低成本、高聚光倍数和光强分布均匀的菲涅耳透镜是可以实现的.     

基于紫外纳米压印的菲涅耳透镜制作

针对传统聚光系统中菲涅耳透镜成本较高并且光强分布不均匀的弊端,提出了利用紫外纳米压印技术制作菲涅耳透镜的方法.利用几何光学的光线追迹理论,设计了菲涅耳透镜模具.采用自行研制的紫外纳米压印系统对模具进行压印,紫外曝光后制得薄膜菲涅耳透镜.在太阳光下进行了测试,测试结果表明,低成本、高聚光倍数和光强分布均匀的菲涅耳透镜是可以实现的.     

高倍聚光模组系统研究与设计

聚光系统的聚光效率和能量均匀性直接影响单位模组的发电效率。本文研究设计出高倍聚光模组系统,该系统主要包括菲涅耳透镜和球冠平顶微棱镜。采用中心波长修正法进行菲涅耳透镜的设计,并通过Zemax仿真模拟设计出球冠平顶微棱镜。最后通过Zemax模拟,决定选取两侧面夹角α的角度为117°,平顶到球面的间隔g为0.2 mm,球冠平顶微棱镜的曲率半径R为10 mm。聚光系统整体的聚光效率达99.8%,能量均匀度为0.812,并进行实验验证,得出实际聚光效率为83.1%。     

高倍聚光光伏模组中三结太阳电池沿光轴方向光电性能与优化

目前,在高倍聚光光伏模组设计中,由于对菲涅耳透镜聚光后各波段的光强分布及其非均匀特性缺乏研究和认识,通常认为在菲涅耳透镜的聚光焦平面处多结太阳电池输出功率最大.本文通过光线跟踪模拟的方法,计算并分析菲涅耳透镜聚光下不同波段的光照能量分布和非均匀特性.同时,结合三结太阳电池电路网络模型,研究在高倍聚光光伏模组中,沿光轴方向不同位置处三结太阳电池的发电性能.结果表明:模组输出功率最高位置在焦平面沿光轴方向上下两侧的位置,优化后模组输出功率比常规设计提高20%以上.该模拟结果得到了实验结果的验证.     

离轴非旋转对称叠加方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜

针对传统点聚焦菲涅尔透镜聚光分布均匀性差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,采用离轴非旋转对称叠加方法进行了方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜设计,透镜采用方形非旋转对称结构,设计过程中通过在透镜中心截取一方形小孔来降低聚焦光斑中心辐照度峰值,改善接收面聚光分布,以提高聚光均匀性.采用光线追迹法模拟并分析了小孔边长、离轴偏移量、离轴聚焦距等参量对聚光性能的影响,结果表明:采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%.     

基于棱镜二次聚光的高倍聚光模组聚光特性与三结电池光谱响应匹配与优化

目前Ⅲ-Ⅴ多结高倍聚光(HCPV)太阳电池实验室效率记录已高达46%,而相对应的模组效率与之相差仍较大,其中由于模组中聚光非理想性引起的损失就高达20%.本文通过建立光学模型和非均匀光照的三维电池电路网络模型,以Ⅲ-Ⅴ族三结电池为例,研究了菲涅耳透镜一次聚光、棱镜二次聚光的HCPV模组的聚光特性和光电特性.结果发现.由于光线非平行入射和-菲涅耳透镜的色散现象,使得沿光轴方向短、中、长波段聚光发散及聚光不均匀,从而造成了三结电池的上、中、下各子电池光谱响应失配损失,模组光电转换性能下降;进一步,通过采用棱镜二次聚光,能较好地改善聚光和温度均匀性;通过对光轴方向上短、中、长波段的聚光特性与三结电池光谱响应匹配优化,使得模组输出功率提高10%以上.模拟结果己得到实验验证.     

分区域多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜设计

针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点,提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜,通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法,采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形,聚光均匀度高达90%以上。     

菲涅耳聚光系统下砷化镓电池输出特性研究

对理论聚光比为676的菲涅耳聚光系统下单片砷化镓太阳电池及由六片砷化镓电池的串联组件的输出特性进行分析。建立三结砷化镓电池输出特性的单指数数学模型,并与实验进行了对比。理论计算与实验吻合较好,误差在7.6%以内。实验结果表明,在相同理论聚光比下,单片电池系统能流聚光比为390,六片电池组件系统能流聚光比为281;聚光后单片电池的短路电流与峰值功率分别放大322倍与316倍,六片电池组件系统的短路电流与峰值功率分别放大275倍与272倍;电池表面能流密度为0.321MW/m2时电池的输出功率达到最大,电池表面温度高于323K将影响其工作稳定性;聚光系统的透射率每增加0.01系统效率升高约0.227%。全天累积直射辐照度为17.212MJ/m2条件下测得单片电池全天发电量为0.015kW.h,六片电池串联组件的全天发电量为0.076kW.h。     

高衍射效率衍射望远镜系统的设计/加工及成像性能测试

为提高衍射效率,设计并制作了口径为300mm的衍射成像系统.该系统的物镜是由一块四台阶位相型菲涅尔波带片通过激光直写套刻和Ar离子束物理刻蚀技术在石英玻璃基板上加工而成.测试了衍射物镜的衍射效率,实验结果表明:衍射物镜在波长632.8nm处的衍射效率为66.4%,达到理论值的82%.搭建了衍射成像系统光路,分别采用10μm星点孔与分辨率板,测试了系统的成像性能.实验测得星点像直径为44μm,分辨率板的极限分辨率达到84lp/mm,接近该系统的理论计算值,表明该衍射成像系统具有较好的成像性能.     

平板型太阳能聚光器的无漏光设计

针对平板型太阳能聚光器中出现的漏光问题,提出了无漏光聚光器的设计方法.该方法结合简单的数学计算与折射定律、反射定律推导出光线在光波导板中无漏光传播的最大距离理论公式,建立了无漏光聚光比与空气隙结构张角角度、主聚光器高度和宽度之间的数学模型,利用控制变量法分析了无漏光聚光比与各参数之间的关系.运用光线追迹软件对所设计的平板型无漏光太阳能聚光器进行光线追迹模拟,结果表明:在模拟光源选择存在0.27°的发散半角的太阳光源条件下,考虑光线在透射面处的菲涅耳损失和光学材料的吸收,在无漏光范围内实际最大聚光比达到698×、857×和1 032×时的聚光效率分别为88.2%、85.3%和80.2%;超过无漏光范围后随着聚光比进一步增大聚光效率下降较平缓.     

Parameter optimization of solar modules based on lens concentrators of radiation and cascade photovoltaic converters

Two main issues governing the design of a solar concentrator module with triple-junction nano-heterostructure photovoltaic converters (PVCs) are considered: the effective concentration of radiation using Fresnel lenses and effective heat removal from PVCs. By theoretically and experimentally simulating these processes, the design parameters of module’ s elements are determined. A test batch of full-size modules has been fabricated. Each module consists of a front panel of small-size Fresnel lenses (a total of 144 lenses arranged as a 12 × 12 array) and the corresponding number of multilayer InGaP/GaAs/Ge PVCs. The PVCs are mounted on heat-distributing plates and are also integrated into a panel. The efficiency of the concentrator module with a 0.5 × 0.5-m entrance aperture measured under outdoor conditions is 24.3%, which is more than twice as high as the efficiency of standard (concentrator-free) silicon modules. In smaller test modules, the efficiency corrected for the PVC standard temperature (25° C) reaches 26.5%.     

III-V compounds for solar cell applications

Research activities in the field of III-V solar cells are reviewed. III-V compound semiconductors are used for space solar cells, concentrator solar cells, and in thermophotovoltaic generators. The epitaxial growth of ternary and quaternary material by MOVPE and LPE allows us to realize various band gaps. Multi-junction solar cells with different band gaps are necessary to obtain efficiencies larger than 30%. Recent results of the III-V solar cell research at the Fraunhofer ISE are presented. A mechanically stacked GaAs/GaSb tandem concentrator solar cell achieved an efficiency of 31.1% under 100×AM1.5d. An efficiency of 23% for a two-terminal concentrator module (486 cm²) with Fresnel lenses has been measured under realistic outdoor conditions. Received: 1 March 1999 / Accepted: 28 March 1999 / Published online: 24 June 1999     

基于菲涅耳透镜开放光路天然气泄漏检测系统设计研究

天然气泄漏直接导致能源浪费和环境污染,造成重大经济损失。以可调谐半导体激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法具有精度高、选择性强、响应速度快以及远距离遥测等优点,使其成为天然气站场以及天然气输运管道在线监测的理想方法。可调谐半导体激光吸收光谱与谐波探测相结合,设计了一套开放式长光程的用于天然气泄漏监测的实验系统。它以中心波长为1.65 μm的分布式反馈InGaAS激光器为光源,利用实心角反射器,在发射端以菲涅耳透镜为光学接收系统,把反射回来的光聚焦到InGaAs探测器。同时,在测量过程中,考虑到光强变化对浓度的影响,并通过归一化光强的方法进行消除,使光强波动引起的误差小于1%。在320 m的光程下模拟管道泄漏实验,系统的检测灵敏度为0.1(10-6体积比),根据光学系统收光效率以及探测器的可探测性能进行分析的最小光强,计算得到该系统可探测的光程可达2 000 m,证明完全满足天然气泄漏检测的需求。     

雾霾对基于弹光调制检测系统的影响

近几年我国的雾霾日趋严重，不但对人的健康造成危害、对空中交通造成安全隐患，同时也对很多应用于户外的光学设备造成了影响。为了定量分析不同雾霾等级对基于弹光调制痕量气体浓度检测系统性能的影响，设计了一种测试系统，定量比较了在同一系统中不同PM2.5浓度条件下对等量VOC气体浓度反演的影响。实验中实地采集不同PM2.5浓度的样气，再分别与标准待测气体混合，最终通过对透射光光谱变化和待测气体浓度反演数据的比较，定量分析PM2.5浓度对系统的影响。实验中选用甲醛和苯作为待测气体，分别配制了六种浓度的待测气体，对6个雾霾浓度等级（No.1-No.6）分别进行了测试。实验结果显示，当PM2.5浓度增大时，系统光能吸收率降低。当PM2.5浓度等级小于No.3时，衰减变化相对缓慢，而大于No.3后衰减效果明显增强。当PM2.5浓度小于150 μg·m-3时，测试精度优于90%；当PM2.5浓度超过150 μg·m-3时，对VOC浓度反演的影响变强，当达到350 μg·m-3时，测试误差将近30%。由此可见，PM2.5浓度对弹光调制系统的气体浓度检测具有显著影响。     

基于多特征波长光谱分析的天然气泄漏遥测系统

为快速地、 大范围地对天然气管道进行泄漏监测,设计了基于静态傅里叶变换干涉系统的甲烷气体浓度遥测系统。 采用对准甲烷分子吸收峰的红外光源照射被测区域,再由聚光准直系统和干涉模块完成干涉条纹的获取。 最后,通过多特征波长光谱分析算法计算被测区域的浓度程长积,进而反演相应的甲烷浓度。 通过HITRAN光谱数据库选择了1.65 μm的主特征吸收峰,从而光源使用1.65 μm的DFB激光器。 为了在不增加系统硬件结构的基础上提高检测精度及稳定性,引入辅助波长求解吸光度比值,进而通过多特征波长比例运算的方法获得被测气体的浓度程长积。 实验针对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测,采用PN1000型便携式甲烷检测仪的检测数据作为标准数据与本系统的测试数据进行对比,测试距离分别为100,200和500 m。 实验结果显示,甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后,系统检测值也基本保持稳定。 对100 m的检测距离而言,浓度程长积的检测误差小于1.0%。 随着测试距离的增大,检测误差也相应的增大,距离500 m的检测误差小于4.5%。 总之,在气体泄露稳定后系统检测误差均小于5.0%,满足野外天然气泄漏遥测要求,该方法采用差分思想,在求解吸光度比率的过程中将误差消除,降低了外界干扰造成的误差,从而提高系统的检测精度及稳定性。