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基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器制造技术

技术编号:9435505 阅读:144 留言:0更新日期:2013-12-12 01:14
本发明专利技术涉及光伏发电技术,旨在提供基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器。该基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器包括光伏电池和光学聚光器件,所述光学聚光器件的上表面是自由曲面和折射曲面,下表面是透射平面和反射平面,折射曲面中心与反射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面中心与透射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面设置在折射曲面的焦点位置;所述光伏电池设置在光学聚光器件的外部,并与透射平面紧靠,光伏电池在自由曲面的焦点位置,透射平面的口径大于光伏电池的口径。本发明专利技术提高了光伏电池的光电转换效率以及延长了光伏电池的使用寿命,且采用光学塑料PMMA,易于注塑加工、重量轻,适应于大批量加工,降低了加工成本。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及光伏发电技术,旨在提供基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器。该基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器包括光伏电池和光学聚光器件,所述光学聚光器件的上表面是自由曲面和折射曲面,下表面是透射平面和反射平面,折射曲面中心与反射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面中心与透射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面设置在折射曲面的焦点位置;所述光伏电池设置在光学聚光器件的外部,并与透射平面紧靠,光伏电池在自由曲面的焦点位置,透射平面的口径大于光伏电池的口径。本专利技术提高了光伏电池的光电转换效率以及延长了光伏电池的使用寿命,且采用光学塑料PMMA,易于注塑加工、重量轻,适应于大批量加工,降低了加工成本。【专利说明】基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器
本专利技术是关于光伏发电技术,特别涉及基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器。
技术介绍
随着全球经济和人类社会的快速发展,石油、煤等矿物质能量被人类大量地消耗。人类为追求可持续性发展,正积极发展可再生能源技术。在开发可再生新能源领域,太阳以作为可再生能源之一,其资源的储量最为丰富,在近年来引起了世界各国政府和能源专家的日益重视。传统的光伏聚光系统,通常是采用点聚焦方法,然而点聚焦方法会影响光伏电池的使用寿命以及降低其转换效率,为了使照射到光伏电池表面上的照度光斑均匀,会在光伏聚光系统中增加勻光棱镜,光学聚光器将太阳光会聚到勻光棱镜内,太阳光在勻光棱镜内部进行多次反射,最后均匀地照射到光伏电池上。然而,现有光伏聚光技术存在诸多缺陷。首先,由于光线需要在匀光棱镜内进行多次反射后才照射到光伏电池上,造成了光能损失较大,其次,光学聚光器与匀光棱镜是双分离器件,会造成整个系统安装误差,此外,增加匀光棱镜势必会增加整个系统的成本。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术中的不足,提供一种光能损失小、机械稳定性高的光伏聚光器。为解决上述技术问题,本专利技术的解决方案是:提供基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,包括光伏电池和光学聚光器件,所述光学聚光器件的上表面是自由曲面和折射曲面,下表面是透射平面和反射平面,折射曲面中心与反射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面中心与透射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面设置在折射曲面的焦点位置;所述光伏电池设置在光学聚光器件的外部,并与透射平面紧靠,光伏电池在自由曲面的焦点位置,透射平面的口径大于光伏电池的口径;所述光学聚光器件各面型的具体设计步骤如下:步骤A:确定光学聚光器件的口径:根据光学扩展量相等方程Ei=Etj, Ei为入射到光学聚光器件的光学扩展量,【权利要求】1.基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,包括光伏电池和光学聚光器件,其特征在于,所述光学聚光器件的上表面是自由曲面和折射曲面,下表面是透射平面和反射平面,折射曲面中心与反射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面中心与透射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面设置在折射曲面的焦点位置;所述光伏电池设置在光学聚光器件的外部,并与透射平面紧靠,光伏电池在自由曲面的焦点位置,透射平面的口径大于光伏电池的口径;所述光学聚光器件各面型的具体设计步骤如下:步骤A:确定光学聚光器件的口径:根据光学扩展量相等方程Ei = E0, Ei为入射到光学聚光器件的光学扩展量, 2.根据权利要求1所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述折射曲面包括四个透镜曲面单元,所述透镜曲面单元是指曲率半径在5_-15_之间的透镜曲面。3.根据权利要求1所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述反射平面包括四个反射平面单元。4.根据权利要求1所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述光学聚光器件上的反射平面和自由曲面分别镀有银膜,银膜在可见光波段的反射率大于92%。5.根据权利要求1所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述光学聚光器件上的折射曲面和透射平面分别镀有增透膜,增透膜在可见光波段的透过率大于 99.5%。6.根据权利要求1所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述光学聚光器件的厚度在4.50mm-14.0Omm之间。7.根据权利要求1所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述光学聚光器件是PMMA材质的聚光器件,PMMA材质的折射率和阿贝数分别为=Nd =1.4917±0.001,Vd = 57.4±0.5。8.根据权利要求1至7任意一项所述的基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,其特征在于,所述光伏聚光 器是线型光伏聚光器或者旋转型光伏聚光器。【文档编号】G02B17/08GK103441178SQ201310410542【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日 【专利技术者】庄振锋, 余飞鸿 申请人:浙江大学本文档来自技高网
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【技术保护点】
基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器,包括光伏电池和光学聚光器件,其特征在于,所述光学聚光器件的上表面是自由曲面和折射曲面,下表面是透射平面和反射平面,折射曲面中心与反射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面中心与透射平面中心位于同一垂直位置,自由曲面设置在折射曲面的焦点位置;所述光伏电池设置在光学聚光器件的外部,并与透射平面紧靠,光伏电池在自由曲面的焦点位置,透射平面的口径大于光伏电池的口径;所述光学聚光器件各面型的具体设计步骤如下:步骤A:确定光学聚光器件的口径:根据光学扩展量相等方程Ei=Eo,Ei为入射到光学聚光器件的光学扩展量,Eo为从光学聚光器件出射的光学扩展量,其中n为光学聚光器件的折射率,D为光学聚光器件的口径,θi表示入射光线与光学聚光器件入射界面法线之间的夹角,θo表示出射光线与光学聚光器件出射界面法线之间的夹角,d为光伏电池的口径,通过已知d的值,获得光学聚光器件口径D的值;步骤B:确定自由曲面的面型:在光学聚光器件上建立XOZ直角坐标系,光轴为Z轴,原点O取在光伏电池的中心位置处,F1为光束经光学聚光器件的折射曲面折射、反射平面反射后在自由曲面上会聚的焦点,Bo为反射平面上的点;根据边缘光线原理,为使所有的光线均匀地照射到光伏电池上,假设从光伏电池Co,Ce1,C’e1上出射三条光线,其中Ce1和C’e1分别位于光伏电池的口径两端的两点,令F1、Bo点的坐标分别为(F1x,0,F1z)和(Box,0,Boz),则从Co上出射光线入射到F1的单位方向矢量以及该光线经自由曲面反射到Bo的单位方向矢量根据折射定律,入射光线的单位矢量I、出射光线的单位方向矢量O以及反射平面在点F1的单位法矢N这三者关系应满足:no×O-nI×I=[no2+nI2-2×no×nI×(O·I)]1/2×N---(1)式中no,nI分别为入射光线以及出射光线所在介质的折射率,n为光学聚光器件的折射率,对于入射光线和出射光线所处介质为光学聚光器件,则no=nI=n;由式(1)可进一步简化得到:O?I=[2?2×(O·I)]1/2×N?????(2)自由曲面在F1点沿x轴方向上的切向单位矢量为:Tx=[11+zx2,0,zx1+zx2]---(3)其中zx为z关于x的一阶偏导,即为F1点的斜率,Tx为在F1点的切向单位矢量,根据式(2)、(3)可求得经过点F1的直线方程,从而求得反射平面上的离散点;根据反射定律亦可求得从光伏电池上Ce1,C’e1发出的光线经过F1点的出射光线单位方向向量OBe1,O’Be1;通过上述方法获得自由曲面上的四个焦点坐标,再将这些离散的焦点数据拟合,其自由曲面拟合方程为:z=c×x21+1-(1+k)×c×x2+A1×x+A2×x2+A3×x3+A4×x4---(4)其中,z为矢高,c为顶点曲率半径,k为圆锥系数,x为面型上点到光轴的距离,A1、A2、A3、A4为多项式的各项系数;步骤C:确定反射平面的面型:由于光束与z轴平行,根据光线可逆原理,假设经反射平面上Bo点的出射光线单位方向向量为OBo=[0,0,1],则同样可以根据式(2)、(3)求得反射平面的单位法向矢量N,切向矢量,并最终求得经过Bo反射平面的直线方程;根据步骤B中的自由曲面面型设计,我们已知从电池板上Ce1和C′e1发出的光线经过F1点的出射光线单位方向向量OBe1和O′Be1,在这里分别用IBe1和I′Be1表示,联立反射平面的直线方程以及入射单位方向矢量IBe1和I′Be1,便可求得反射平面上的边界点Be1和B′e1,以及经过边界点的反射光线单位方向矢量OBe1,OBe1;步骤D:确定折射曲面的面型:假设有一束光从焦点F1发出,该光束经反射平面反射,以及自由曲面折射后,所有的光线必将以平行于Z轴的平行光出射到平面波前W,并假设平面波前坐标为W(Wx,0,Wz),反射平面坐标为B(Bx,0,Bz),根据等光程原理,即Optical?Path?Length,可依次求得折射曲面上的一系列坐标点A(Ax,0,Az):OPL=Σi=13nili=(Wx-Ax)2+(Wz-Az)2+n(Bx-Ax)2+(Bz-Az)2+n(Bx-Fx)2+(Bz-Fz)2---(5)式中n为光学聚光器件的折射率,ni是为介质的折射率,li为光路长度,OPL为光程定值,且光程定值OPL可以由...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:庄振锋余飞鸿
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:

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