一种超短聚焦聚光光伏聚光镜的利记博彩app
【专利摘要】本发明提供一种超短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，深宽比低于0.2，透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为S1和S2；自由曲面反射镜由一个表面S3组成，面型为自由曲面；太阳能电池的接收面的面型为平面；需要求解的S1、S2和S。利用本发明提供的方法可以设计出电池片光照能量分布均匀的超短聚焦聚光光伏聚光镜。
【专利说明】一种超短聚焦聚光光伏聚光镜 所属【技术领域】
[0001] 本发明涉及到一种轻薄化的聚光光伏聚光镜，属于光学设计领域，同时也属于聚 光光伏发电的能源利用领域。
【背景技术】
[0002] 能源问题已成为现代社会和经济发展的关键问题之一，太阳能因为其无污染、来 源广、可再生等特点被越来越多的人所关注。光伏发电是太阳能主要利用形式之一，利用光 电效应进行光电转换可以将太阳辐射能转化为电能。光伏发电可以分为平板光伏发电和聚 光光伏发电，平板光伏发电是利用太阳能电池板直接进行发电；聚光光伏发电是通过聚光 镜将一大束太阳光会聚到一小片太阳能电池上进行发电。可见聚光光伏发电可以减少电池 片的使用面积，减低发电成本和电池对环境的污染，是光伏发电的发展趋势。
[0003] 聚光光伏组件主要由聚光模组、跟踪器和逆变器组成，聚光模组又由聚光镜、太阳 能电池、框架以及散热器组成。目前最常见的聚光镜就是菲涅尔透镜和抛物面反射镜，属于 点聚焦型的聚光镜，需要配合二级聚光镜使用。二级聚光镜的作用是增加聚光镜的容忍角， 并提高电池片表面的能量均匀性。
[0004] 但是由于菲涅尔透镜的光学限制，聚光模组的深宽比，即模组的高度（聚光镜的 焦距）和模组的口径（圆形聚光镜为透镜直径，方形聚光镜为透镜对角线）的比值均大于 1。深宽比过大，导致聚光模组尺寸和质量增大，增加了运输和跟踪器的成本，所以聚光模组 的轻薄化是聚光光伏的必然要求和发展趋势。自由曲面和超精密制造技术的发展为复杂的 光学器件的加工提供了有力的工具，利用自由曲面设计的聚光镜可实现聚光镜轻薄化的目 标。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种超短短聚焦聚光镜设计方法，本发明利用透镜阵列和自 由曲面反射镜实现超短聚焦聚光镜的设计，将聚光模组的深宽比降低至〇. 2,甚至更小，实 现聚光模组的轻薄化要求。本发明的技术方案如下：
[0006] -种短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、 多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，透镜阵列位于反射镜的上面，太阳能电池位于它 们的侧面，光线依次经过透镜、反射镜后入射到太阳能电池上，深宽比低于〇. 2,透镜阵列由 一系列透镜单元组成，每一个透镜单元对应一个自由曲面反射镜单元，其中一对透镜单元 和自由反射镜单元的设计方法如下：
[0007] 1)透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为Si和& ;自由曲面反射镜 由一个表面组成，面型为自由曲面，定义为S3 ;太阳能电池的接收面的面型为平面，定义为 s4 ;需要求解的SpS2和S3,SpS2和s3均由离散点构成，对其求解的过程就是求解离散点坐 标的过程；将入射光线束离散化处理，则每一条光线均与Si、S2、S3和s4相交，且在每一个面 上的交点只有一个，求解Si、S2和S3的过程最终转化成求解光线与Si、S2和s3交点的过程；
[0008] 2)设其中一条光线为f，首先求解光线f?与Si和S2的交点，设光线f?分别与透镜 单兀的两个表面Si和S2分别交于Pi和P2 ;
[0009] 3)光线f?在所求的两个非球面Si和S2之间，依次穿过三种传播介质：气体N。、透 镜单元K和气体N2,Si和S2之间的距离为d，光线f?通过Si的方向和位置参数分别为％和 4，％为光线f与光轴Z的夹角，h为光线f与Si切平面交点的高度值，光线在Si后的方向 参数为A，光线通过S2后的方向和位置参数分别为U2和h2，以透镜单元的光轴方向为Z方 向，透镜单元的径向方向为Y方向，对透镜单元的两个面Si和S2分别建立坐标系，光线f?与 Si面的交点为Pi(yi，Zl)，与S2面的交点为P2 (y2,z2)，Pi和P2之间的距离为R，Ry和Rz分别 为R在y和z方向上的分量，即R、Ry和艮满足公式（1)，光线的方向角满足公式（2):
【权利要求】
1. 一种超短聚焦聚光光伏聚光镜设计方法，所设计的聚光镜由三部分组成，透镜阵列、 多个自由曲面反射镜单元，和太阳能电池，透镜阵列位于反射镜的上面，太阳能电池位于它 们的侧面，光线依次经过透镜、反射镜后入射到太阳能电池上，深宽比低于0. 2,透镜阵列由 一系列透镜单元组成，每一个透镜单元对应一个自由曲面反射镜单元，其中一对透镜单元 和自由反射镜单元的设计方法如下： 1) 透镜单元由两个表面组成，面型为非球面，分别定义为SJPS2;自由曲面反射镜由一 个表面组成，面型为自由曲面，定义为S3 ;太阳能电池的接收面的面型为平面，定义为S4 ;需 要求解的Sp S2和S3, Sp S2和S3均由离散点构成，对其求解的过程就是求解离散点坐标的 过程；将入射光线束离散化处理，则每一条光线均与SpS2、S3和S4相交，且在每一个面上的 交点只有一个，求解Sp S2和S3的过程最终转化成求解光线与Sp S2和S3交点的过程； 2) 设其中一条光线为f，首先求解光线f与S1和S2的交点，设光线f分别与透镜单元 的两个表面S1和S2分别交于P1和P2 ; 3) 光线f?在所求的两个非球面S1和S2之间，依次穿过三种传播介质：气体Ntl、透镜单 元N1和气体N2, S1和S2之间的距离为d，光线f?通过S1的方向和位置参数分别为U ci和Ii1, Utl为光线f与光轴Z的夹角，Ii1为光线f与S1切平面交点的高度值，光线在S 1后的方向参 数为U1，光线通过S2后的方向和位置参数分别为U2和h2，以透镜单元的光轴方向为Z方向， 透镜单元的径向方向为Y方向，对透镜单元的两个面S1和S2分别建立坐标系，光线f与S 1面的交点为P1 (Y1, Z1)，与S2面的交点为P2 (y2, z2)，P1和P2之间的距离为R，Ry和R z分别为 R在y和z方向上的分量，即R、Ry和Rz满足公式（1)，光线的方向角满足公式（2):
4) 光线€在S1上的y方向的坐标通过公式（3)表示，同理，在S2上的y方向的坐标如 公式（4): Y1 = hj+ZjtanUo (3) Y2 = h2+z2tanU2 (4) 5) 通过公式（I)-(4)，可得到S1和S2IP1和P2坐标的微分方程组，如公式（5)所示， 通过求解这两个微分方程即可求得P1和P2的坐标，依次求解物空间所有的光线就可得到S 1和S2所有离散点的坐标：
6) 计算光线f?与S3的交点，求解S3 :光线f?与S1和S2的交点P1和P2上面已经求得， 光线f与S4的交点Q的坐标已知，S3上已知点的坐标为Ptl，/;为P tl处的法矢量，设光线f?与 反射面的交点为P (x，y)，利用反射定律（6)和垂直条件（7)求得P的坐标； ^ = ~PP2-2{PPz-QP)n (6) n?~PPK)=-\ (7) 7) 依次求得Sp S2和S3的点坐标以后，进行拟合得到Sp S2和S3的面型。
【文档编号】G02B19/00GK104330885SQ201410504610
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】程颖, 房丰洲, 张效栋, 卢永斌 申请人:天津大学