一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器及其设计方法，包括机械架构、超表面、集热管；太阳光照射到超表面的平面上，经超表面反射后，聚焦到集热管上，传热工质从集热管的一侧进入，经加热后，由光能转换为热能，完成光热能量转换，然后由另一侧流出；将所述超表面通过多个超表面微单元组成，所述超表面微单元由超表面微元化得到；太阳光经过所述超表面后光线发生偏折，聚焦在集热管上，不同波长、不同入射角的光线具有不同的偏折角度，从而实现太阳光波段的免跟踪聚焦。本发明专利技术可实现太阳光以宽波段广角度入射时免跟踪聚光，不仅可以省去传统的跟踪装置，抹去跟踪误差带来的影响，还可以满足各种角度入射的太阳光，从而提高聚光效率。高聚光效率。高聚光效率。

【技术实现步骤摘要】
一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器及其设计方法


[0001]本专利技术属于电磁场和聚光光热发电
，特别涉及一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器及其设计方法。

技术介绍

[0002]太阳能光热发电是一种是集光热转换发电、大规模储热和电网同步机特性于一身的可再生能源发电项目，太阳能热发电具有长时间储能能力，可为绿色低碳电力系统提供可靠的保障与支撑，将在构建以新能源为主体的新型电力系统中发挥中坚作用。太阳能热发电在双碳目标中起到重要作用，灵活可控的特点使得光热发电并网既具有可再生能源效益又具有灵活性效益。
[0003]太阳能光热发电主要由聚光系统、集热系统、储热系统和发电系统四部分组成，聚光系统是太阳能热发电站中极为重要的一部分，聚光系统性能对发电效果有直接的影响。太阳能光热发电中传统的聚光器主要有三种：槽式聚光器、塔式聚光器和碟式聚光器。这三种传统的反射式聚光器依赖于反射镜面的设计，同时需要跟踪聚光，并且有体积大、加工困难等缺点。光学超表面是一种由亚波长的人工原子构成的二维超材料器件，能够实现对入射光的振幅、相位和偏振的任意调控。超表面的调控自由度高，体积小等优势有望被应用到太阳能聚光器领域当中。超表面聚光器，可以省去传统聚光器的跟踪机械装置，实现宽波段广角度对太阳光的聚焦作用，减少了额外的能耗及跟踪带来的误差，有利于系统的集成化和小型化。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器及其设计方法，其提供了一种新型的可集成化和小型化的无需跟踪系统的平面超表面聚光器，为太阳能热发电提供新思路新方法。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器，包括机械架构、超表面、集热管；太阳光照射到超表面的平面上，经超表面反射后，聚焦到集热管上，传热工质从集热管的一侧进入，经加热后，由光能转换为热能，完成光热能量转换，然后由另一侧流出；将所述超表面通过多个超表面微单元组成，所述超表面微单元由超表面微元化得到；太阳光经过所述超表面后光线发生偏折，聚焦在集热管上，不同波长、不同入射角的光线具有不同的偏折角度，从而实现太阳光波段的免跟踪聚焦。
[0007]进一步地，所述超表面微单元由一个高阻硅圆柱和衬底组成，通过调节所述高阻硅圆柱的半径r和高度h改变超表面微单元的电磁特性。
[0008]本专利技术还提供一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器的设计方法，具体包括如下步骤：
[0009]步骤1、选择超表面聚光器的聚光波长范围，选择合适的聚焦位置，使多个角度的
太阳光经由超表面反射后能聚焦在集热管上；
[0010]步骤2、根据光线的聚焦位置，逆向追踪光线，保证聚焦的任一波长的太阳光均由太阳照射到超表面微单元上然后由超表面异常反射得到，进而确定相应的超表面微单元上的特征物理量；
[0011]步骤3、根据超表面微单元上的特征物理量如：相位，改变超表面微单元的材料结构参数——高阻硅圆柱的半径r，从而使超表面微单元的特征物理量与步骤2中的特征物理量相匹配；
[0012]步骤4、经多次计算后，遍历整个超表面的反射平面，从而确定超表面的具体结构分布；按照超表面聚光的正向光路计算，利用FDTD方法和Monte Carlo算法，计算聚光器的聚光能流密度分布，选取最佳的集热管的尺寸和位置，实现最高的聚光效率。
[0013]进一步地，所述超表面微单元为将超表面进行微元化得到微元矩阵，微元矩阵中每一个元素对应一个超表面微单元，通过确定每个超表面微单元的特征参数，从而得到所述超表面微单元的结构。
[0014]进一步地，所述步骤2中，为了使所提出的超表面实现聚焦功能，将平面波转化为球面波，在距离f处聚焦，通过计算得到超表面的表面的每个超表面微单元的特征参数，根据相位与光程的关系，使得焦点到超表面的表面的每一点的相位相等或者相差2π的整数倍：
[0015][0016]其中，n表示整数，(x0，y0)是焦点位置在超表面上投影的坐标，(x，y)是对应的超表面微单元的坐标，f为超表面聚光器的焦距。
[0017]进一步地，所述步骤3中，所述超表面微单元是在高阻硅的衬底上刻蚀高阻硅圆柱，根据硅波导有效折射率n
neff
与半径r的关系，将若干个超表面微单元并排分布，各超表面微单元之间具有不同的宽度和可忽略不计的光学耦合；在亚波长传播长度上获得的2π相位差，则满足：
[0018][0019]其中，Δn
eff
为单元之间的有效折射率差，n
neff
为硅波导的有效折射率，λ是光波长；
[0020]通过高阻硅圆柱的电磁波的相位突变满足下式(3)：
[0021][0022]故通过控制高阻硅圆柱的半径r和高度h；
[0023]固定某一变量，则仅剩唯一一个变量影响超表面微单元的相位突变，得到一系列相位变化范围为0
‑
2π的超表面微单元，从而利用相位调控原理实现对波阵面的控制。
[0024]有益效果：
[0025]太阳能热发电中聚光性能对发电效果有直接影响，传统的光学器件由于其相位调控的原理和材料的限制，很难做到超薄超轻，并且非平面器件很不利于集成，所以聚光系统有体积大、加工困难、跟踪结构复杂且有误差等缺点。本专利技术可很好的解决上述问题，超表
面是一种人工的亚波长单元结构，调控自由度更高，更容易制备，并且易于集成化和小型化。本专利技术利用超表面对于电磁波的调控特性，由亚波长尺寸的单元结构组成，拥有自然材料不具备的电磁特性与普通的镜面聚光器不同，太阳光经过超表面后会发生异常反射，可实现太阳光以宽波段广角度入射时免跟踪聚光，不仅可以省去传统的跟踪装置，抹去跟踪误差带来的影响，还可以满足各种角度入射的太阳光，从而提高聚光效率。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器的结构示意图；
[0027]图2为超表面微单元的结构设计示意图；
[0028]图3为超表面为单元相位和反射率随半径变化的曲线图，其中，图(a)为超表面微单元的相位随半径变化的曲线图；图(b)为超表面微单元的反射率随半径变化的曲线图；
[0029]图4为模拟的聚光效果能流密度分布图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]如图1所示，本专利技术的宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器包括机械架构1、超表面2、集热管3。根据超表面的电磁学特质，太阳光经过超表面后光线会发生偏折，聚焦在集热管上，不同波长不同入射角的光线有不同的偏折角度，实现太阳光波段的免跟踪聚焦。太阳光照射到超表面2的平面上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器，其特征在于：包括机械架构、超表面、集热管；太阳光照射到超表面的平面上，经超表面反射后，聚焦到集热管上，传热工质从集热管的一侧进入，经加热后，由光能转换为热能，完成光热能量转换，然后由另一侧流出；将所述超表面通过多个超表面微单元组成，所述超表面微单元由超表面微元化得到；太阳光经过所述超表面后光线发生偏折，聚焦在集热管上，不同波长、不同入射角的光线具有不同的偏折角度，从而实现太阳光波段的免跟踪聚焦。2.根据权利要求1所述的一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器，其特征在于：所述超表面微单元由一个高阻硅圆柱和衬底组成，通过调节所述高阻硅圆柱的半径r和高度h改变超表面微单元的电磁特性。3.根据权利要求1所述的一种宽波段广角度的免跟踪超表面聚光器的设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、选择超表面聚光器的聚光波长范围，选择合适的聚焦位置，使多个角度的太阳光经由超表面反射后能聚焦在集热管上；步骤2、根据光线的聚焦位置，逆向追踪光线，保证聚焦的任一波长的太阳光均由太阳照射到超表面微单元上然后由超表面异常反射得到，进而确定相应的超表面微单元上的特征物理量；步骤3、根据超表面微单元上的特征物理量如：相位，改变超表面微单元的材料结构参数——高阻硅圆柱的半径r，从而使超表面微单元的特征物理量与步骤2中的特征物理量相匹配；步骤4、经多次计算后，遍历整个超表面的反射平面，从而确定超表面的具体结构分布；按照超表面聚光的正向光路计算，利用FDTD方法和Monte Carlo算法，计算聚光器的聚光能流密度分布，选取最佳的集热管的尺寸和位置，实现最高的聚光效率。4.根据权利要求3所述的一种宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳骐源，郭明焕，王志峰，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：