光能转换与器件

以PMMA为材料,采用热压成型工艺加工线聚焦菲涅尔聚光棱镜,对在聚光条件下不同人射角情况下太阳电池的电流电压特性进行测试。结果表明,该菲涅尔线聚焦棱镜能有效提高太阳电池的单位输出功率,而且具有比较宽泛的集光角的     

新型菲涅尔线聚焦聚光太阳电池组件研究

以聚甲基丙烯酸甲脂为材料,采用热压成型工艺加工成型线聚焦菲涅尔聚光透镜(8×),可用于空间、地面光伏系统太阳电池组件的聚光系统,并对在其聚光条件下,太阳电池的电流电压特性进行测试,结果表明,该菲涅尔线聚焦棱镜能有效提高太阳电池的单位输出功率.模具的机械加工精度和光学抛光精度低,是造成其部分聚光率损失的原因.     

用于光伏系统新型菲涅耳线聚焦聚光透镜设计

根据边缘光线原理,优化设计太阳电池及光伏系统的菲涅耳线聚焦聚光透镜.设计光学聚光率为18×,可用于空间、地面光伏系统的聚光系统.分析了其集光角特性,表明该菲涅耳线聚焦棱镜具有大的集光角(±7°).     

用于太阳光泵浦激光的抛物面环形阵列聚光器

为研制适用于太阳光直接泵浦激光器的聚能系统,在分析菲涅尔透镜聚光原理及缺陷的基础上,提出抛物面环形阵列聚光器的设计方法。完成了由抛物面环形阵列聚光器、菲涅尔透镜及复合抛物面聚光器（CPC）组成的太阳光泵浦激光器二级聚能方案,并与传统菲涅尔透镜方案进行了对比。光线追迹仿真分析表明:新型聚光器能够克服传统菲涅尔透镜的色散、小棱镜面像差及光线遮挡的缺陷,从而提高聚能效,使用抛物面环形阵列聚光器的多级聚能方案较传统菲涅尔透镜的多级聚能方案聚光比提高约18.5%,更适合于大相对孔径、高聚光比聚光场合的应用。     

菲涅尔太阳能聚光镜的设计

讨论并设计了一种超薄的菲涅尔聚光镜,根据费玛原理设计出以非球面为截面的中心折射区域和T IR(内部全反射)棱镜为锯齿部分的折反区域,用ZEMAX软件优化得到最佳聚光态,并利用ZEMAX软件模拟出菲涅尔聚光镜聚光性及其能量分布,最终得到总厚度仅为30 mm的折反复合型菲涅尔聚光镜。实验结果表明:折反复合型菲涅尔聚光镜不仅能提高太阳能的利用率,同时也使会聚到光电池表面上的能量分布更均匀,复合式菲涅尔聚光镜的性能优于传统的菲涅尔聚光镜。     

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%.     

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.     

两级透射-反射聚光分频电热联产系统设计和分析

在传统聚光条件下的太阳能光伏发电系统中,由于太阳光中存在所有波段的光子,而其中只有一部分能够被太阳电池用来发电,其余的部分进入太阳电池之后非但不会被用于发电,反而会变成热量使太阳电池升温,从而使电池光电转换效率下降．本文设计了一种聚光且具有分频功能的太阳能电热联产系统,利用线聚焦菲涅尔透镜和光谱选择性透过涂层改善太阳电池表面的入射光环境,在聚光的同时将不利于光伏发电的太阳光波段反射并加以收集利用．分析结果表明,与相同条件下传统的只进行聚光的光伏系统相比,两级透射一反射聚光分频电热联产系统具有更高的太阳能利用效率．     

像面照度均匀的环带式菲涅尔透镜设计

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Tracepro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%。     

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.     

菲涅尔透镜热变形对CPV聚光系统性能影响的数值研究

由硅胶-玻璃材料组成的SOG(silicone on glass)型菲涅尔透镜在温度变化时会产生热变形,影响CPV(concentrating photovoltaic)聚光系统的性能。为研究透镜热变形对聚光系统光效率的影响,优化设计两类聚光系统,并采用数值计算的方法模拟透镜的热变形,再将热变形导入光学模型中,使用蒙特卡罗方法计算变形前后的聚光效率。结果表明:对于单级聚光系统,采用单色光均匀性优化方法设计的透镜受翘曲变形和齿面自由变形影响较大,光效率在变形前后相差10%左右,改进型补偿色散方法设计的菲涅尔透镜受翘曲变形和齿面自由变形影响较小。另外,双级聚光系统可以有效抵抗热变形的影响。     

High concentration and homogenized Fresnel lens without secondary optics element

In this paper, we design a single concentrator to homogenize and concentrate the solar energy. The proposed concentrator only consisted of an array of refraction prisms. In order to homogenize the irradiance, all pitches of the Fresnel concentrator focus on the different position of the receiver. Finally, the Fresnel lens that achieves the uniformity of U is 14.6. An acceptance angle of 0.305° is achieved without using additional secondary optics. Full Width at Half Maximum (FWHM) of illumination distribution is 1.4 mm.     

Solar pumped Nd:YAG laser

We report the high efficiency of solar pumped laser. The sunlight is concentrated by the concentrator system, which is composed by the Fresnel lens and the cone-channel condenser. The power density of sunlight concentrated by the concentrator system surpasses the lasing threshold for pumping laser. In the experiment, the sunlight concentrated is coupled into the conical chamber pumping Nd:YAG laser media. Laser output of 3.5 W has been achieved; the collect efficiency is 3.5 W/m². The conversion efficiency is 1.0% from solar power into laser, and the slope efficiency is achieved 1.86%.     

基于菲涅耳透镜阵列的红外气体传感器

菲涅耳透镜同时具有分光与会聚特性, 且体积小、重量轻和易复制, 使其在光谱检测中得到逐步应用, 但典型光谱成像仪采用菲涅耳透镜沿光轴扫描的方法来获得连续谱线, 不利于光谱仪的稳定性。考虑到气体探测需求, 选用多通道方式来获得多光谱, 提出了一种基于菲涅耳透镜阵列的新型红外气体传感器, 可实现吸收波长在3～5 μm的CO2,CO,CH4,SO2气体的实时检测。利用球面波的传输理论和瑞利判据, 推导了菲涅耳透镜光谱分辨率与透镜结构参数之间的函数关系, 并以光谱分辨率小于50nm为性能指标, 对1μm工艺的8台阶菲涅耳透镜阵列的结构参数进行了计算和误差分析。结果表明, 透镜阵列所需焦距为47.84 mm, 平均数值孔径大于0.4。     

Optical efficiency of solar concentrators by a reverse optical path method

A method for the optical characterization of a solar concentrator, based on the reverse illumination by a Lambertian source and measurement of intensity of light projected on a far screen, has been developed. It is shown that the projected light intensity is simply correlated to the angle-resolved efficiency of a concentrator, conventionally obtained by a direct illumination procedure. The method has been applied by simulating simple reflective nonimaging and Fresnel lens concentrators.