基于复眼的紧凑式双反射型光伏聚光器

摘要

本发明涉及光伏发电技术，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。

主权项

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E_i＝E_o，E_i为入射到光学聚光器件的光学扩展量，E_o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，θ_i表示入射光线与光学聚光器件入射界面法线之间的夹角，θ_o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，B_o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C_o，C_e1，C’_e1上出射三条光线，其中C_e1和C’_e1分别位于光伏电池的口径两端的两点，令F₁、B_o点的坐标分别为(F_1x，0，F_1z)和(B_ox，0，B_oz)，则从C_o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B_o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：$n_o\times O-n_I\times I={[n_o^2+n_I^2-2\times n_o\times n_I\times (O·I)]}^{1/2}\times N---\left(1\right)$式中n_o，n_I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n_o＝n_I＝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：$T_x=[\frac{1}{\sqrt{1+z_x^2}},0,\frac{z_x}{\sqrt{1+z_x^2}}]---\left(3\right)$其中z_x为z关于x的一阶偏导，即为F₁点的斜率，T_x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C_e1，C’_e1发出的光线经过F₁点的出射光线单位方向向量O_Be1，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：$z=\frac{c\times x^2}{1+\sqrt{1-(1+k)\times c\times x^2}}+A_1\times x+A_2\times x^2+A_3\times x^3+A_4\times x^4---\left(4\right)$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B_o点的出射光线单位方向向量为O_Bo＝[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B_o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C_e1和C′_e1发出的光线经过F₁点的出射光线单位方向向量O_Be1和O′_Be1，在这里分别用I_Be1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I_Be1和I′_Be1，便可求得反射平面上的边界点B_e1和B′_e1，以及经过边界点的反射光线单位方向矢量O_Be1，O_Be1；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(W_x，0，W_z)，反射平面坐标为B(B_x，0，B_z)，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(A_x，0，A_z)：$\begin{array}{c}\mathrm{OPL}=\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}{n}_i{l}_i\\ =\sqrt{{(W_x-A_x)}^2+{(W_z-A_z)}^2}\\ +n\sqrt{{(B_x-A_x)}^2+{(B_z-A_z)}^2}\\ +n\sqrt{{(B_x-F_x)}^2+{(B_z-F_z)}^2}\end{array}---\left(5\right)$式中n为光学聚光器件的折射率，n_i是为介质的折射率，l_i为光路长度，OPL为光程定值，且光程定值OPL可以由定点W₁，A₁，B₁，F₁代入式(5)求得，并且W_x＝A_x，因此式(5)只有一个未知变量；至此，该光学聚光器件的设计过程基本完成，最后通过各个折射曲面面型的数据点进行曲面拟合，即得到各个曲面的面型。