基于非成像光学的光伏聚光器制造技术

基于非成像光学的光伏聚光器，它涉及一种光伏聚光器，解决了现有技术的聚光倍数较低聚光器的存在的成本高、聚光倍数低的问题，聚光倍数较高的聚光器集光角窄、高宽比太大的问题，光伏聚光器由聚光器和太阳能电池组成，所述聚光器由主透镜和二次透镜组成，主透镜的上表面为平面，主透镜的下表面分为两部分，一部分为ＴＩＲ区菲涅尔齿，另一部分为ＲＲ区，ＴＩＲ区菲涅尔齿的一侧为折射面，另一侧为全内反射面，折射面与ｚ轴夹角为φ，主透镜和二次透镜的材料折射率都为ｎ，本发明专利技术获得的聚光器，可以达到１０００倍左右聚光倍数，小于０．５的高宽比，大于１°的集光角，大于８０％光学效率。本发明专利技术适用于应用聚光倍数较高光伏聚光器的场合和领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光伏聚光器。
技术介绍
光伏发电系统中，太阳能电池的成本在整个系统成本中占很大比重。为了降低光伏发电的成本，最有效且快捷的方法是采用以有机玻璃为材料的聚光器将太阳光聚集到很小的太阳能电池表面。目前市场上应用的光伏聚光器按照聚光率可分为低倍聚光器(聚光倍数小于100)和高倍聚光器(聚光倍数大于100)。低倍聚光器是通过光学元件对光线的反射或折射达到汇聚太阳光的目的，可以实现宽集光角，但是低倍聚光致使收集太阳光的单位面积内太阳能电池的使用量仍然很大，不能大幅降低光伏发电的成本。高倍聚光器一般是通过菲涅耳透镜对光线的折射及二次均化器的折射实现对太阳光线的高倍聚光，目前技术成熟的高倍聚光器的聚光倍数在200-500。根据菲涅耳透镜的特点，更高倍数的聚光器存在高宽比太大的问题，不利于系统封装和市场应用。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术聚光倍数较低的聚光器存在成本高、聚光倍数低的问题，聚光倍数较高的聚光器集光角窄、高宽比太大的问题，提出一种基于非成像光学的光伏聚光器。 基于非成像光学的光伏聚光器，它由聚光器和太阳能电池组成，所述聚光器由主透镜和二次透镜组成，主透镜和二次透镜为轴对称结构，主透镜的上表面为平面，主透镜的下表面分为两部分， 一部分为TIR区，另一部分为RR区，所述RR区在所述TIR区的中心，所述TIR区共有N个TIR区菲涅尔齿，每个TIR区菲涅尔齿由折射面和全内反射面组成，每个TIR区菲涅尔齿的折射面与主透镜的对称轴的夹角均为cp，主透镜和二次透镜的材料折射率都为n，所述二次透镜的轴截面的上表面由N段曲线组成，二次透镜的下表面为平面，二次透镜设置在主透镜的正下方，并且所述二次透镜与主透镜同轴，太阳能电池的聚光面紧贴二次透镜的下表面，并且所述二次透镜的对称轴穿过太阳能电池的聚光面的中心； 指定位于主透镜最外侧的TIR区菲涅尔齿为第一个齿，由外向内，依次为第二个齿、第三个齿……第N个齿，TIR区菲涅尔齿的形状和二次透镜的上表面的形状是由下述方法获得的 二次透镜的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第一段曲线、以及第一个齿的全内反射面和折射面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的的形状是由下述方法获得的 步骤一、根据公式Cg = A乂A。计算聚光器的几何聚光率Cg，其中&为主透镜的上表面的面积，A。为太阳能电池聚光面的面积； 步骤二、根据步骤一的公式确定几何聚光率Cg和集光角ai ; 步骤三、以太阳能电池的聚光面中心作为坐标原点，二次透镜的对称轴为z轴建立直角坐标系，则太阳能电池的聚光面与所述直角坐标系相交的两个边界点的坐标分别为 R(r。，0)和R' (-r。，0);然后在所建立的直角坐标系中做如下操作； 首先，获得二次透镜的第一段曲线BC，执行步骤四和步骤五 步骤四、在x轴负向的第一个齿的全内反射面上选取边界点A，在x轴负向的二次 透镜的第一段曲线上选取边界点B，根据点A、点B和点R'的坐标计算获得一段二次曲线， 所述二次曲线为笛卡尔椭圆； 步骤五、根据由点A到点B边界光线E(—)的反射光线和由步骤四确定的一段二次 曲线确定该段二次曲线的端点C，获得二次透镜的第一段曲线BC，其中光线E(—)与z轴成逆 时针夹角a2 ; 其次，获得第一个齿的全内反射面曲线AF，执行步骤六和步骤七 步骤六、采用P-l个点将步骤五获得的第一段曲线BC平均分成P份，依次对于每个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线E(—)，获得其在第一个齿的全内反射面上对应点的坐标，最终获得第一个齿的全内反射面上P-1个点的坐标； 步骤七、将步骤六获得的第一个齿的全内反射面上P-l个点的坐标连接成非均匀有理B样条曲线AF; 最后，获得第一个齿的折射面的直线段AH，执行步骤八 步骤八、追踪步骤六获得的第一个齿的全内反射面上P-l个点的边界光线E(+)和 E(—)，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，计算获得第一个齿的折射面的上端边界点 H，根据所述折射面与z轴之间的夹角和边界点H、A，获得所述折射面的边界线AH，其中光线 E(+)与z轴成顺时针夹角a2 ; 二次透镜的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第二段曲线、以及第二个齿的 全内反射面和折射面的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法为 步骤九、根据步骤六获得的第一个齿上的全内反射面上P-l个点的边界光线E(+)， 根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜上的第一段曲线外的P-l个点的 坐标，其中光线E(+)与z轴成顺时针夹角a2 ; 步骤十、将步骤九获得的P-l个点的坐标，连接成非均匀有理B样条曲线CG，所述 曲线CG即为二次透镜的第二段曲线； 步骤十一、从R'点反向追踪步骤十获得的第二段曲线CG的边界光线E(—)，确定第 二个齿的最低点A1，并且所述点A1在第一个齿的最高点F的边界光线E(+)反射和折射光线 的上方； 步骤十二、将第二个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第二个齿的 全内反射面和折射面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线； 二次透镜的上表面在直角坐标系中x轴负向区域的第i段曲线、以及第i个齿 的全内反射面和折射面的在直角坐标系中x轴负向区域的曲线段的获得方法为，其中 3《i《N : 步骤十三、根据第i-l个齿上的全内反射面上P-l个点的边界光线E(+)，根据反射 定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜上的第i段曲线上的P-l个点的坐标； 步骤十四、将步骤十三获得的P-l个点的坐标连接成非均匀有理B样条曲线CG，所 述曲线CG即为二次透镜的第i段曲线； 步骤十五、从R'点反向追踪第i-1个齿确定的CG段的边界光线E(+)和E(—)，确定 TIR区菲涅尔齿第i个齿的最低点A卜、并且所述点A卜1的位置在第i-1个齿的最高点F的 边界光线E(+)反射和折射光线的上方； 步骤十六、将第i个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第i个齿的 全内反射面、折射面在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；和二次透镜的上表面在直角坐 标系中X轴负向区域的第i段曲线； 第N个齿的折射面的曲线的末端与z轴不相交，RR区表面在直角坐标系中x轴负 向区域的曲线获得方法为 步骤十七、从点R'反向追踪二次透镜表面各点的折射光线，提取两次折射后的边 界曲线E(+)，根据光程相等原理计算获得RR区在直角坐标系中x轴负向区域的曲线上各点 的坐标，然后将所述各点坐标连接成非均匀有理B样条曲线，直至z轴； 如果二次透镜的第N段曲线的末端与z轴相交，则二次透镜的上表面的形状确 定； 如果二次透镜的第N段曲线的末端与z轴不相交，则根据所述第N段曲线上的点 进行样条插值，将所述第N段曲线延伸至z轴。 本专利技术的光伏聚光器，可以达到1000倍左右聚光倍数，小于0.5的高宽比，大于 1°的集光角，并且能够在集光角大于80%光学效率。本专利技术适用于应用聚光倍数较高光伏 聚光器的场合和领域。附图说明 图1为本专利技术的聚光器的光束传输示意图。图2为主透镜11的第一个齿的全内 反射面1122和折射面1121、与二次透镜12的上表面的第一段曲线所在平面之间的光路图。 图3为本专利技术的聚光器主透镜和二次透镜的立体效果图。图4是图3沿主透镜上表面对角 线截本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于非成像光学的光伏聚光器，其特征在于它由聚光器（１）和太阳能电池（２）组成，所述聚光器（１）由主透镜（１１）和二次透镜（１２）组成，主透镜（１１）和二次透镜（１２）为轴对称结构，主透镜（１１）的上表面（１１１）为平面，主透镜（１１）的下表面分为两部分，一部分为ＴＩＲ区，另一部分为ＲＲ区（１１３），所述ＲＲ区（１１３）在所述ＴＩＲ区的中心，所述ＴＩＲ区共有Ｎ个ＴＩＲ区菲涅尔齿（１１２），每个ＴＩＲ区菲涅尔齿（１１２）由折射面（１１２１）和全内反射面（１１２２）组成，每个ＴＩＲ份，依次对于每个点，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，反向追踪边界光线Ｅ↓［（－）］，获得其在第一个齿的全内反射面（１１２２）上对应点的坐标，最终获得第一个齿的全内反射面（１１２２）上Ｐ－１个点的坐标；步骤七、将步骤六获得的第一个齿的全内反射面（１１２２）上Ｐ－１个点的坐标连接成非均匀有理Ｂ样条曲线ＡＦ；最后，获得第一个齿的折射面（１１２１）的直线段ＡＨ，执行步骤八：步骤八、追踪步骤六获得的第一个齿的全内反射面（１１２２）上Ｐ－１个点的边界光线Ｅ↓［（＋）］和Ｅ↓［（－）］，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，计算获得第一个齿的折射面（１１２１）的上端边界点Ｈ，根据所述折射面（１１２１）与ｚ轴之间的夹角和边界点Ｈ、Ａ，获得所述折射面（１１２１）的边界线ＡＨ，其中光线Ｅ↓［（＋）］与ｚ轴成顺时针夹角ａ↓［２］；二次透镜１２的上表面在直角坐标系中ｘ轴负向区域的第二段曲线、以及第二个齿的全内反射面（１１２２）和折射面（１１２１）的在直角坐标系中ｘ轴负向区域的曲线段的获得方法为：步骤九、根据步骤六获得的第一个齿上的全内反射面（１１２２）上Ｐ－１个点的边界光线Ｅ↓［（＋）］，根据反射定律、折射定律和光程相等原理，确定二次透镜（１２）上的第一段曲线外的Ｐ－１个点的坐标，其中光线Ｅ↓［（＋）］与ｚ轴成顺时针夹角ａ↓［２］；步骤十、将步骤九获得的Ｐ－１个点的坐标，连接成非均匀有理Ｂ样条曲线ＣＧ，所述曲线ＣＧ即为二次透镜（１２）的第二段曲线；步骤十一、从Ｒ’点反向追踪步骤十获得的第二段曲线ＣＧ的边界光线Ｅ↓［（－）］，确定第二个齿的最低点Ａ↑［１］，并且所述点Ａ↑［１］在第一个齿的最高点Ｆ的边界光线Ｅ↓［（＋）］反射和折射光线的上方；步骤十二、将第二个齿视为第一个齿，重复执行步骤五至步骤八，获得第二个齿的全内反射面（１１２２）和折射面（１１２１）在直角...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊云，赵清亮，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]