基于非成像光学的光伏聚光器

摘要

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 ，主透镜和二次透镜的材料折射率都为n，本发明获得的聚光器，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。本发明适用于应用聚光倍数较高光伏聚光器的场合和领域。

主权项

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区菲涅尔齿(112)的折射面(1121)与主透镜(11)的对称轴的夹角均为φ，主透镜(11)和二次透镜(12)的材料折射率都为n，所述二次透镜(12)的轴截面的上边缘由N段曲线组成，二次透镜(12)的下表面为平面，二次透镜(12)设置在主透镜(11)的正下方，并且所述二次透镜(12)与主透镜(11)同轴，太阳能电池(2)的聚光面紧贴二次透镜(12)的下表面，并且所述二次透镜(12)的对称轴穿过太阳能电池(2)的聚光面的中心；指定位于主透镜(11)最外侧的TIR区菲涅尔齿(112)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(112)的轴截面的下边缘的形状和二次透镜(12)的轴截面的上边缘的形状是由下述方法获得的：二次透镜(12)的轴截面的上边缘在直角坐标系中x轴负向区域的第一段曲线、以及第一个齿的全内反射面(1122)和折射面(1121)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＝Ai/Ao计算聚光器(1)的几何聚光率Cg，其中Ai为主透镜(11)的上表面(111)的面积，Ao为太阳能电池(2)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；步骤三、以太阳能电池(2)的聚光面中心作为坐标原点，二次透镜(12)的对称轴为z轴建立直角坐标系，则太阳能电池(2)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(r0，0)和R’(‑r0，0)；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(12)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(1122)上选取边界点A，在x轴负向的二次透镜(12)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(12)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(1122)曲线AF，执行步骤六和步骤七：步骤六、采用P‑1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(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a2；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a2；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(1122)和折射面(1121)在直角坐标系中x轴负向区域的曲 线；二次透镜(12)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(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，其中3≤i≤N：步骤十三、根据第i‑1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i段曲线上的P‑1个点的坐标；步骤十四、将步骤十三获得的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(112)第i个齿的最低点Ai‑1，并且所述点Ai‑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(1122)、折射面(1121)在直角坐标系中x轴负向区域的曲线；和二次透镜(12)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(1121)的曲线的末端与z轴不相交，RR区(113)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(12)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(113)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(12)的第N段曲线的末端与z轴相交，则二次透镜(12)的上表面的形状确定；如果二次透镜(12)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。