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%。     

基于非成像原理设计的太阳能聚光镜

针对传统聚光系统聚光倍数较低并且需要复杂跟踪装置及机电控制的弊端,对能否实现静态大角度接收太阳光的光学聚光元件进行了研究和设计.利用非成像原理及边缘光线原理进行编程建模,设计了折射式及折反射式的太阳能聚光镜,可满足大角度的入射及出射范围.通过光学软件ZEMAX以不同入射角度进行模拟.模拟结果表明,大角度静态接收的聚光元件是可以实现的.     

用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

 研究了基于三结型（InGaP/InGaAs/Ge）高效太阳能电池的太阳能光伏发电的高倍聚光系统。该系统采用高次非球面光学玻璃卡塞格林系统,运用Zemax和Tracepro光学设计软件完成200~500倍太阳能聚光系统的设计,同时设计了单片型高倍太阳能聚能光学组件,用热压成型方法研制了太阳能聚能透镜（副镜）。采用16个性能相同的聚光光学组件和相同数量的三结型太阳能电池组成高倍聚光型太阳能光伏组件,极大地提高了聚光比,为太阳能光伏发电的高倍聚光器设计提供参考和依据。     

抛物碟式太阳能聚光器的聚光特性分析与设计

点聚焦碟式太阳能聚光反射器,应用光线追迹法模拟分析了存在太阳张角时,相同开口采光面积、不同形状的聚光器分别在相同焦距、相同边缘角情况下的聚光特性。考虑到太阳形状、开口采光面形状、抛物面焦距、抛物面边缘角及接收器的遮挡作用等几何因素,并结合旋转抛物面聚光器的光学特性,建立了模拟仿真的几何模型。采用光线追迹法直观地模拟了聚光接收面上的平均能流分布特性。为对聚光器的聚光特性进行定量评价,采用了面积效率因子的概念。模拟结果表明,采光面积相同时,等焦距的4种不同开口形状的聚光器具有相近的聚光能流比;等边缘角时,除圆形聚光器外的3种聚光器有较大光能损失。设计了多碟共焦聚光器,用低聚光比聚光器组合达到高倍聚光效果,并分析了聚光特性,为碟式太阳能聚光反射系统的设计和优化提供了参考。     

弱光探测器中复合抛物面聚光镜(CPC)的优化设计

基于非成像光学的原理,设计并研制了一种新的复合抛物面聚光镜(Compound parabolic concentrator,CPC)。提出基于遗传算法的聚光镜优化设计方法,将透过率作为遗传进化的目标函数,通过控制遗传算法的遗传进化方向,对CPC的结构进行优化调整。仿真实验结果表明,优化后的聚光镜入射孔径100mm,聚光比2.5:1,轴向长度84mm。当入射角为30°时,透过率达到75%以上。将此聚光镜应用于弱光探测器中,可以较好地满足器件的需要。     

实现均匀照度光伏聚光镜设计

为满足聚光光伏系统的聚光需求,解决传统点聚焦式聚光光伏系统中聚焦光斑不均匀、径长比过大和聚光比较小的缺点,在不增加二次匀光器件的前提下,设计了径长比小、聚焦光斑相对均匀、聚光比高的聚光光伏系统。根据几何光学柯勒照明原理、等光程原理和反射定律,通过数值求解等光程方程组获得聚光镜各个面型的轮廓曲线。利用TracePro软件对所设计的聚光系统进行光线追迹模拟,结果表明:在聚光比为725的情况下,聚焦光斑最大照度仅为太阳照度的2300倍,是点聚焦情况下的1/10左右,系统的径长比为0.3,接收角为0.72°。系统设计实现了结构紧凑,聚光性能高的设计目标,为高倍聚光光伏系统的小型化,简单化提供了一种有效的解决途径。     

一种非标准椭球面聚光镜设计方法

为提高太阳模拟器聚光镜的有效聚光效率,提出一种基于椭球面二项展开式的非标准椭球面聚光镜,通过改变展开式的二次项系数控制聚光镜面形,提高聚光镜对氙灯光源离焦发光点的聚光效果,使第二焦面上的光能分布更为紧凑,从而提高系统的光能有效利用率。结合具体实例进行数值分析,并采用蒙特卡洛光线追迹方法模拟实际光照效果。分析结果表明,在有效辐照面积内非标准椭球面的聚光效率相比传统标准椭球面提升了10%左右。     

太阳模拟技术

概述了国内外太阳模拟技术的发展现状。提出了太阳模拟器设计的技术指标,讨论了太阳模拟器的光学系统设计思想。介绍了聚光系统、光学积分器、准直系统、滤光片光谱透过率的优化设计方案,通过复合高次非球面聚光系统和非共轴深椭球面反射镜的使用,提高了聚光镜对光源辐射通量的聚光效率,改善了第二焦面上的辐照分布。通过对光学积分器原理及像差分析,给出了有效的优化设计经验公式。最后,对研制过程中遇到的问题进行了归纳总结,并提出了改进思路。     

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%。     

太阳模拟技术

概述了国内外太阳模拟技术的发展现状。提出了太阳模拟器设计的技术指标,讨论了太阳模拟器的光学系统设计思想。介绍了聚光系统、光学积分器、准直系统、滤光片光谱透过率的优化设计方案,通过复合高次非球面聚光系统和非共轴深椭球面反射镜的使用,提高了聚光镜对光源辐射通量的聚光效率,改善了第二焦面上的辐照分布。通过对光学积分器原理及像差分析,给出了有效的优化设计经验公式。最后,对研制过程中遇到的问题进行了归纳总结,并提出了改进思路。     

基于CPV技术的LED路灯聚光器的研究

以120W大功率LED路灯太阳能电池板为研究对象,通过聚光光伏技术,利用光学透镜(聚光器)提高太阳能电池的光电转换效率。利用聚焦作用增大光照密度,有效地降低了太阳能光照面积,极大地减少了光电材料的使用量,大幅度降低了太阳能电池的成本。通过光学仿真软件TracePro进行仿真,验证了其可行性。     

A new method to improve power efficiencies of optical systems with Cassegrain-telescope receivers

We presented a new method to improve power efficiencies of the optical systems with Cassegrain telescope receivers by using vortex sources with optimized parameters. A typical model of optical systems with Cassegrain telescope receivers was established and power losses in the optical system under the H-V 5/7 turbulence model were analyzed in detail. The calculating results showed that power efficiency of the optical system can be improved from 76.48% to 97.25%. A reduced-scaled experiment was carried out and the experimental results showed that power efficiency of the optical system can be improved from 71.89% to 90.60%.     

复合式无遮拦激光扩束器的设计

为满足大功率激光发射的要求,提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器,消除卡塞格林系统中心遮拦,提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征,结合伽利略折射式扩束器的特点,设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器,采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式,在卡塞格林次镜中心开通孔,使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器,对中心透过光束进行扩束,两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验,实验结果表明,对于波长10.6μm激光,透过率大于95.21%,比传统卡塞格林扩束器提高22.12%。     

外场紫外与可见光双波段可调焦装置校准设计

设计了一种用来校准紫外与可见光光轴平行性的可调焦光学系统,调焦范围为70 m~。针对目前大多数校准系统无法进行调焦的问题,提出一种既能校准紫外与可见光光轴平行性又能对紫外部分进行调焦的方法。采用离轴卡塞格林系统作为初始结构进行设计,通过在传统的卡塞格林系统中加入调焦组和补偿组来实现调焦以及像差补偿,所设计的系统可以有效地解决紫外与可见光双光轴平行性失调的校准问题,提高紫外与可见光双光轴平行性校准效率,并且在不同视距下光学传递函数值及点列斑均接近衍射极限,能量集中度达到90%,整个视场的像质均匀,像面清晰,有利于后续的图像处理工作。     

高功率激光装备小型化轻量化技术

自激光器问世以来,激光在各领域的需求和应用非常广泛,而随着高功率激光装备输出功率不断提高,重量与体积已成为制约高功率激光装备应用与发展的关键问题之一。由于当前高功率激光装备仍将提高输出功率作为其发展目标,加之高功率激光装备结构功能复杂、能量转换效率低等特点,制约了高功率激光装备小型化、轻量化的实现。本文在介绍高功率激光装备的特点及其小型化、轻量化技术约束的基础上,综述了装备常用小型化、轻量化技术应用、新型高功率激光技术应用、提高能量转换效率及散热效率等高功率激光装备小型化、轻量化实现途径,以及各种技术途径在高功率激光装备中已有的应用。根据高功率激光装备现状及特点,其在小型化、轻量化方面具有很大的发展空间及应用前景。     

连续相位变化毫米波衍射天线

基于菲涅尔原理及卡塞格伦天线设计方法,设计了一种口面直径为200 mm的卡赛格伦菲涅耳相位修正平面天线。天线采用连续相位修正方式,由一组同心菲涅耳相位修正圆环组成,与传统卡赛格伦抛物面天线相比,该天线具有平面化结构,大大减小了天线自身重量,天线辐射性能较离散相位衍射天线有大幅度提高。在95 GHz频率下,采用物理光学法进行仿真计算,并采用近场扫描系统进行了天线性能测试,天线3 dB波束宽度分别为0.95及1.05,天线实测增益为44.1 dB,天线口面效率为65%。     

氙灯光源太阳模拟器辐照衰减器设计方法

针对应用于太阳模拟器辐照衰减器设计上的不足,提出一种新的衰减器设计方法,旨在提高其辐照均匀性。基于光学扩展量计算衰减器上的网孔面积,对会聚光路的辐射通量进行调制;利用聚光镜环带法,理论上分析衰减器上的辐射分布;利用网孔非均匀分布的结构对会聚光路的辐射分布进行调制,给出具体设计参数;对比分析了网孔均匀分布和非均匀分布对辐射调制效果和辐照均匀性的影响。实验表明:安装网孔非均匀分布的衰减器,调节氙灯功率,能够连续输出0.1~1.0个太阳常数的辐照度;基于网孔非均匀分布的衰减器对辐射分布调制后,光斑内辐照不均匀度降低率最高为48.7%,低辐照不均匀度下可以实现辐照度的大范围调整,对提高太阳模拟器的使用性能具有一定的借鉴意义。