一種超短聚焦聚光光伏聚光鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種超短聚焦聚光光伏聚光鏡設計方法，所設計的聚光鏡由三部分組成，透鏡陣列、多個自由曲面反射鏡單元，和太陽能電池，深寬比低于0.2，透鏡單元由兩個表面組成，面型為非球面，分別定義為S1和S2；自由曲面反射鏡由一個表面S3組成，面型為自由曲面；太陽能電池的接收面的面型為平面；需要求解的S1、S2和S。利用本發(fā)明提供的方法可以設計出電池片光照能量分布均勻的超短聚焦聚光光伏聚光鏡。
【專利說明】一種超短聚焦聚光光伏聚光鏡 所屬【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及到一種輕薄化的聚光光伏聚光鏡，屬于光學設計領域，同時也屬于聚 光光伏發(fā)電的能源利用領域。

【背景技術】
[0002] 能源問題已成為現(xiàn)代社會和經濟發(fā)展的關鍵問題之一，太陽能因為其無污染、來 源廣、可再生等特點被越來越多的人所關注。光伏發(fā)電是太陽能主要利用形式之一，利用光 電效應進行光電轉換可以將太陽輻射能轉化為電能。光伏發(fā)電可以分為平板光伏發(fā)電和聚 光光伏發(fā)電，平板光伏發(fā)電是利用太陽能電池板直接進行發(fā)電；聚光光伏發(fā)電是通過聚光 鏡將一大束太陽光會聚到一小片太陽能電池上進行發(fā)電。可見聚光光伏發(fā)電可以減少電池 片的使用面積，減低發(fā)電成本和電池對環(huán)境的污染，是光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢。
[0003] 聚光光伏組件主要由聚光模組、跟蹤器和逆變器組成，聚光模組又由聚光鏡、太陽 能電池、框架以及散熱器組成。目前最常見的聚光鏡就是菲涅爾透鏡和拋物面反射鏡，屬于 點聚焦型的聚光鏡，需要配合二級聚光鏡使用。二級聚光鏡的作用是增加聚光鏡的容忍角， 并提高電池片表面的能量均勻性。
[0004] 但是由于菲涅爾透鏡的光學限制，聚光模組的深寬比，即模組的高度（聚光鏡的 焦距）和模組的口徑（圓形聚光鏡為透鏡直徑，方形聚光鏡為透鏡對角線）的比值均大于 1。深寬比過大，導致聚光模組尺寸和質量增大，增加了運輸和跟蹤器的成本，所以聚光模組 的輕薄化是聚光光伏的必然要求和發(fā)展趨勢。自由曲面和超精密制造技術的發(fā)展為復雜的 光學器件的加工提供了有力的工具，利用自由曲面設計的聚光鏡可實現(xiàn)聚光鏡輕薄化的目 標。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種超短短聚焦聚光鏡設計方法，本發(fā)明利用透鏡陣列和自 由曲面反射鏡實現(xiàn)超短聚焦聚光鏡的設計，將聚光模組的深寬比降低至〇. 2,甚至更小，實 現(xiàn)聚光模組的輕薄化要求。本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] -種短聚焦聚光光伏聚光鏡設計方法，所設計的聚光鏡由三部分組成，透鏡陣列、 多個自由曲面反射鏡單元，和太陽能電池，透鏡陣列位于反射鏡的上面，太陽能電池位于它 們的側面，光線依次經過透鏡、反射鏡后入射到太陽能電池上，深寬比低于〇. 2,透鏡陣列由 一系列透鏡單元組成，每一個透鏡單元對應一個自由曲面反射鏡單元，其中一對透鏡單元 和自由反射鏡單元的設計方法如下：
[0007] 1)透鏡單元由兩個表面組成，面型為非球面，分別定義為Si和& ;自由曲面反射鏡 由一個表面組成，面型為自由曲面，定義為S3 ;太陽能電池的接收面的面型為平面，定義為 s4 ;需要求解的SpS2和S3,SpS2和s3均由離散點構成，對其求解的過程就是求解離散點坐 標的過程；將入射光線束離散化處理，則每一條光線均與Si、S2、S3和s4相交，且在每一個面 上的交點只有一個，求解Si、S2和S3的過程最終轉化成求解光線與Si、S2和s3交點的過程；
[0008] 2)設其中一條光線為f，首先求解光線f?與Si和S2的交點，設光線f?分別與透鏡 單兀的兩個表面Si和S2分別交于Pi和P2 ;
[0009] 3)光線f?在所求的兩個非球面Si和S2之間，依次穿過三種傳播介質：氣體N。、透 鏡單元K和氣體N2,Si和S2之間的距離為d，光線f?通過Si的方向和位置參數(shù)分別為％和 4，％為光線f與光軸Z的夾角，h為光線f與Si切平面交點的高度值，光線在Si后的方向 參數(shù)為A，光線通過S2后的方向和位置參數(shù)分別為U2和h2，以透鏡單元的光軸方向為Z方 向，透鏡單元的徑向方向為Y方向，對透鏡單元的兩個面Si和S2分別建立坐標系，光線f?與 Si面的交點為Pi(yi，Zl)，與S2面的交點為P2 (y2,z2)，Pi和P2之間的距離為R，Ry和Rz分別 為R在y和z方向上的分量，即R、Ry和艮滿足公式（1)，光線的方向角滿足公式（2):

【權利要求】
1. 一種超短聚焦聚光光伏聚光鏡設計方法，所設計的聚光鏡由三部分組成，透鏡陣列、 多個自由曲面反射鏡單元，和太陽能電池，透鏡陣列位于反射鏡的上面，太陽能電池位于它 們的側面，光線依次經過透鏡、反射鏡后入射到太陽能電池上，深寬比低于0. 2,透鏡陣列由 一系列透鏡單元組成，每一個透鏡單元對應一個自由曲面反射鏡單元，其中一對透鏡單元 和自由反射鏡單元的設計方法如下： 1) 透鏡單元由兩個表面組成，面型為非球面，分別定義為SJPS2;自由曲面反射鏡由一 個表面組成，面型為自由曲面，定義為S3 ;太陽能電池的接收面的面型為平面，定義為S4 ;需 要求解的Sp S2和S3, Sp S2和S3均由離散點構成，對其求解的過程就是求解離散點坐標的 過程；將入射光線束離散化處理，則每一條光線均與SpS2、S3和S4相交，且在每一個面上的 交點只有一個，求解Sp S2和S3的過程最終轉化成求解光線與Sp S2和S3交點的過程； 2) 設其中一條光線為f，首先求解光線f與S1和S2的交點，設光線f分別與透鏡單元 的兩個表面S1和S2分別交于P1和P2 ; 3) 光線f?在所求的兩個非球面S1和S2之間，依次穿過三種傳播介質：氣體Ntl、透鏡單 元N1和氣體N2, S1和S2之間的距離為d，光線f?通過S1的方向和位置參數(shù)分別為U ci和Ii1, Utl為光線f與光軸Z的夾角，Ii1為光線f與S1切平面交點的高度值，光線在S 1后的方向參 數(shù)為U1，光線通過S2后的方向和位置參數(shù)分別為U2和h2，以透鏡單元的光軸方向為Z方向， 透鏡單元的徑向方向為Y方向，對透鏡單元的兩個面S1和S2分別建立坐標系，光線f與S 1面的交點為P1 (Y1, Z1)，與S2面的交點為P2 (y2, z2)，P1和P2之間的距離為R，Ry和R z分別為 R在y和z方向上的分量，即R、Ry和Rz滿足公式（1)，光線的方向角滿足公式（2):
4) 光線€在S1上的y方向的坐標通過公式（3)表示，同理，在S2上的y方向的坐標如 公式（4): Y1 = hj+ZjtanUo (3) Y2 = h2+z2tanU2 (4) 5) 通過公式（I)-(4)，可得到S1和S2IP1和P2坐標的微分方程組，如公式（5)所示， 通過求解這兩個微分方程即可求得P1和P2的坐標，依次求解物空間所有的光線就可得到S 1和S2所有離散點的坐標：
6) 計算光線f?與S3的交點，求解S3 :光線f?與S1和S2的交點P1和P2上面已經求得， 光線f與S4的交點Q的坐標已知，S3上已知點的坐標為Ptl，/;為P tl處的法矢量，設光線f?與 反射面的交點為P (x，y)，利用反射定律（6)和垂直條件（7)求得P的坐標； ^ = ~PP2-2{PPz-QP)n (6) n?~PPK)=-\ (7) 7) 依次求得Sp S2和S3的點坐標以后，進行擬合得到Sp S2和S3的面型。
【文檔編號】G02B19/00GK104330885SQ201410504610
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】程穎, 房豐洲, 張效棟, 盧永斌 申請人:天津大學