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%。     

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%.     

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。     

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.     

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。     

新型线聚焦菲涅耳透镜设计及其聚光特性研究

聚光光伏系统中电池表面热流密度分布不均匀导致系统光电转换效率降低,同时出现局部过热问题,严重影响了光伏电池系统的效率。为了解决这一问题,本文设计了一种可以使太阳投射辐射能量均匀化分布于接收面的新型线聚焦菲涅耳透镜,并运用蒙特卡罗光线追迹法对常见的菲涅耳透镜及本文设计新型线聚焦菲涅耳透镜的聚光特性进行了对比研究。模拟结果表明,新型透镜极大地改善了电池表面热流分布的均匀性。针对新型透镜聚光特性,考察了不同设计接受面宽度、太阳光不平行灾角、入射光束波长、入射光倾角及电池位置等因素对电池表面热流密度分布的影响。     

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.     

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。     

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.     

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.     

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°).     

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.     

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.