（精密仪器及机械专业论文）聚光光伏系统聚光器的初步研究.pdf

摘要 能源是人类社会生存和发展的基础，太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再 生能源，在太阳能的有效利用当中，光伏发电是近年来发展最快，最活跃的研究 领域。降低太阳能电池发电成本的有效途径之一是采用聚光型太阳能电池，提高 太阳能系统的转换效率，具有高会聚比和极大接收角度的聚光器在聚光系统中占 有很重要的地位。 本文通过对聚光器原理的研究，分别完成了抛物面反射型聚光镜设计和菲涅 耳聚光镜的设计。主要内容如下： 1 分析了成像聚光器不能达到理想会聚比的原因，并对单个抛物面的面型 进行了分段计算，使之在固定的接收面和固定接收角的情况下，实现光电池接收 面的均匀光强分布。 2 利用二级非成像聚光器使得光电池放置在抛物镜的顶点处，这种设计不 仅提高了会聚比，实现了电池表面光强度的均匀性，而且解决了电池的固定问题， 这种设计分为两种形式，二级聚光器分别为锥面型和曲面型，曲面型的是为了增 加抛物面的接收角，而且比锥面型具有更好的均匀性。 3 研究了菲涅耳透镜的聚光原理，设计了两种透射型的菲涅耳聚光镜，一 种反射型的菲涅耳聚光镜。对两利，透射型的菲涅耳聚光镜进行了比较，分析了它 们在材料折射率、透过率、孔径角、理想光学效率之间的关系，比较了线聚焦和 点聚焦两种形式下光学效率的区别。 4 通过光学仿真实验验证了设计的合理性，并利用超精密车床分别加工了 抛物面聚光镜和菲涅耳聚光镜，通过光学实验验证了聚光器设计与仿真的正确 性。 关键词：聚光光伏( c p v ) 抛物面聚光镜菲涅耳聚光镜非成像光学超精密 车削 a b s t r a c t e n e r g yi so n eo ft h ef o u n d a t i o n sn e e d e db yt h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to f h u m a ns o c i e t y , a n ds o l a re n e r g yi si n e x h a u s t i b l ea n dr e n e w a b l es o u r c e s f o re f f e c t i v e u t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y , s o l a rp h o t o v o l t a i ci nr e c e n ty e a r sh a sb e c o m et h ef a s t e s t g r o w i n ga n dm o s ta c t i v er e s e a r c hf i e l d c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i c ( c p v ) i so n eo ft h e e f f e c t i v ew a y st or e d u c et h ec o s to fs o l a rp o w e rg e n e r a t i o n ，a si tc a ni m p r o v et h e c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs o l a re n e r g ys y s t e m s ；m o r e o v e r , c o n d e n s e ri sa n i n d i s p e n s a b l ep a r to f t h ec p v t h i sp a p e re x p l o r e dt h ep r i n c i p l eo fc o n d e n s e r s ，a n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h e p a r a b o l i cc o n d e n s e r sa n df r e s n e lc o n d e n s e r sr e s p e c t i v e l y m a i np h a s e so fw o r k a r ea s f o l l o w s ： 1 a n a l y z e dt h er e a s o n sw h y t h ei m a g i n gc o n c e n t r a t o r sc a n n o ta c h i e v et h ei d e a l c o n v e r g e n c er a t i o b ys u b s e c t i o nc a l c u l a t i o no fas i n g l ep a r a b o l i cs u r f a c e ，u n i f o r m l i g h td i s t r i b u t i o n o nt h eo p t i c a lr e c e i v e rc a nb eo b t a i n e di naf i x e da n g l ea n d f i x e d - r e c e i v e rc a s e 2 p h o t o v o l t a i cc e l l sc a nb ep l a c e do nt h ev e r t e xo fp a r a b o l i cb yt h eu s eo f s e c o n dn o n - i m a g i n gc o n c e n t r a t o r s t h i sn o to n l yi m p r o v e st h ec o n v e r g e n c er a t i oa n d a c h i e v e su n i f o r m i t yo fl i g h ti n t e n s i t yo nt h ec e l ls u r f a c e ，b u ta l s os o l v e st h ef i x i n g p r o b l e mo ft h eb a t t e r y t h ed e s i g nc a nb ed i v i d e di n t ot w of o r m s ，c o n et y p ea n d c u r v e ds u r f a c et y p e t h el a t t e ro n ei sd e s i g n e dt oi n c r e a s et h er e c e i v i n ga n g l e ，a n d r e c e i v eb e t t e ru n i f o r m i t yt h a nt h ec o n e t y p e 3 s t u d i e dt h ep r i n c i p l eo ft h ef r e s n e ll e n s ，a n dd e s i g n e dt w ot y p e so f t r a n s m i s s i o nf r e s n e lc o n d e n s e r sa n dar e f l e c t i v eo n e b yc o m p a r i n gt h et w ot y p e so f t r a n s m i s s i o nf r e s n e lc o n d e n s e r s ，t h er e l a t i o n s h i po ft h e i rm a t e r i a lr e f r a c t i v ei n d e x ， t r a n s m i t t a n c e ，a p e r t u r ea n g l e ，a n dt h ei d e a lo p t i c a le f f i c i e n c yw a sa n a l y z e d ，a n dt h e d i f f e r e n c eo ft h eo p t i c a le f f i c i e n c yb e t w e e nt h ep o i n tf o c u s i n gt y p ea n dt h el i n e f o c u s i n gt y p ew a sa l s oa n a l y z e d 4 w i t ho p t i c a ls i m u l a t i o n t h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g nw a sv e r i f i e d a n dt h e p a r a b o l i cc o n d e n s e ra n df r e s n e lc o n d e n s e rw e r eb o t hm a c h i n e db yu l t r a - p r e c i s i o n t u r n i n g b ym a k i n go p t i c a le x p e r i m e n t s ，t h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g na n dt h e s i m u l a t i o no ft h ec o n d e n s e r sw e r ep r o v e d t t k e yw o r d s ：c o n c e n t r a t i n gp h o t o v o l t a i c ( c p v ) ，p a r a b o l i cc o n d e n s e r , f r e s n e l c o n d e n s e r ，n o n - i m a g i n go p t i c s ，u l t r a - p r e c i s i o nt u r n i n g i l l 独创性声明 夺人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进 ，f 1 0 研穹：= 1 ：庠印取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文c t 石：乞禽碍确曼入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 鲑娃，或其他移守机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究印】 馥盼任何贡献均b 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：箍疑签字f j 期：池7 鼍 年? 月甲r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅本堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：裎颍 导师签名： 夕乏厂争活：r 签字 1 期：x 力爷( i 月垆r 签字同期：劲唧年9 月严r 第一章绪论 第一章绪论 能源是人类赖以生存的基础。随着国民经济的快速发展，对能源的需求也越 来越大，同时石油、煤炭等化石能源带来的全球气候变暖、能源危机、环境污染、 环保问题等一系列问题也日益突出，因此，开发利用洁净、可再生的能源资源成 为世界各国的必然选择。据预测，到2 0 5 0 年各种能源在世界能源消费构成中所 占的比例将为：可再生能源5 0 、煤2 0 、天然气1 3 、核能1 0 、水电5 。 太阳能以其能量巨大、储量“无限”、使用清洁安全等优点，逐渐显露出其经济优 势，将成为人类理想的替代能源，如图1 1 。光伏电池是太阳能产业的核心支柱， 然而成本和效率是严重制约其发展。复杂光学聚光镜能最大限度地提高光伏电池 的收集能力和光伏效率，是解决矛盾的重要途径。本文基于非成像聚光理论设计 并完成各种会聚镜，并采用光学仿真手段进行光学性能分析，为聚光器的应用奠 定一定的理论基础。 1 1 课题研究意义 随着煤、石油等一次能源逐渐枯竭及对环境的恶化影响，人类迫切需求对环 境友好的可再生能源。太阳能电池利用光电转化技术可将太阳能直接转换为电 能，是利用太阳能的最有效的方式。目前，太阳能电池由于制造成本高，光电转 化效率低，其应用受到了一定限制，但其优点及化石能源的枯竭危机又促使人们 不断地寻求低成本、高效率的太阳能电池材利1 | 。 太阳能电池具有永久性、清洁型和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只 要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用：与火力发电相比，太阳能 电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站， 小到只供一户用的太阳能电池组，这是其他能源无法比拟的。 太阳能电池光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要 替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2 0 3 0 年，可再生 能源在总能源结构中将占到3 0 以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的 占比也将达到1 0 以上；到2 0 4 0 年，可再生能源将占总能耗的5 0 以上，太阳 能光伏发电占总电力2 0 以上：预计到2 1 世纪末，可再生能源在能源结构中将 占到8 0 以上，太阳能发电将占到6 0 以上1 2 j 。法国调查公司y o l ed e v e l o p m e n t 表示，预计2 0 1 2 年全球太阳能电池的生产能力将达到3 3 7 5 g w ，这已规模相当 第一章绪论 丁2 0 0 7 年生产能力的约47 倍图1 - 2 给出了全球太阳能生产能力走势( 来源光 电新闻网) 。 至彗_ m - 斟i i2 0 5 0 年各种能源所占的比例 从j 9 5 4 年第一代晶体硅太阳能电池诞生到现在，其转换效率在实验室达 到了2 47 ，大规模生产的效率为1 7 以上i m 】。尽管如此，由于单晶硅成本价 格高大幅度减低其成本很困难，为了节省贵材料，诞生了第二代多晶硅、非晶 硅等太阳能电池多晶硅具有与单晶硅一样的光照稳定性与单晶硅比较成本 低廉实验室最高转换效率】8 ，工业规模生产转化效率为1 0 i ”。第三代薄膜 _ 爪阳能电池，c u l n s e 2 和c d t e 等薄膜电池的实验室效率目前分别为1 65 和 1 8 5 ，”，虽然仍有望在效率上进一步突破，但前者稳定性差，后者又较难制 作。非晶硅及氢化非晶硅的来源较广，但是转换效率低，且大面积薄膜制作也存 在价格高的问题嗍。砷化镓( g a a s ) 的化台物电池的转化效率可达2 8 ，适合 于制造高教单结电池，但是g a a s 电池价格昂贵很大程度上限制了g a a s 的普 及m 。而电池片的价格是光伏系统成本最主要的部分，可见，高额成本成为制约 光伏发电人规模应用的主要障碍h j 。 为了进一步降低光伏发电成本，减少太阳电池芯片的消耗，聚光技术是一项 可行的措施，即通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏 电池上从而大幅度地降低系统的成本及昂贵的太阳能电池材料用量例。 各国光伏研究者都集中于聚光光伏系统，早在1 9 8 9 年，g a a “g a s b 双节太 阳电池的效率已逃3 26 ( 大气质量因子a m l5 ，1 0 0 s u n s ) 。1 9 9 5 年f r a u n h o f c r i s e 和c a l i b r a t i o n 实验室研制的g a o5 1 i n 0 4 9 p g a a s 整体级联双结太阳能电池，效 率为3 l 】( a m l5 ，3 0 0 s u n s ) i 。2 0 0 5 年5 月，美国可再生能源实验室报道 其三结电池在1 0 x ( 】0 倍聚光) 条件下的效率为3 79 i l “。2 0 0 5 年6 月，茭国 s p e c t r o l a b 公司报道其多节太阳能电池在2 3 6 x 条件下的效率为3 9 。 g a i n p 2 g a a s g e 级联太刚电池| i “，比s i 电池效率高、抗辐射、耐高温，非常适 用于太阳能电池。光学树脂( 如p m m a ( 聚甲纂丙酸甲酯) ) 具有耐冲击、强 度高、相对密度小、透过率高，在太阳光谱的o3 之um 范围内，透过率达9 2 l 0 势，暑艟， 。糯 ， 胜姗 一 鳞 一巴 0 曼 目 第一章绪论 以上，与光学玻璃相差无几，而且其光学性能优良，抗老化、成型工艺简单、产 品成本低廉，利用光学树脂透镜和级联太阳电池合成的聚光型太阳电池极大地提 高了单位电池片产生的电量，大大降低了发电成本1 岳1 7 1 。 1 2 聚光系统概述 1 2 1 光伏技术的原理 太阳能发电分为光热发电和光伏发电。光热发电是利用光一热一电转换机 理，利用太阳能辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转 成蒸汽，再驱动汽轮机发电，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效 率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5 l o 倍。因此，目前 只能小规模地应用于特殊场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通 的火电站或核电站相竞纠引。 图1 - 3 聚光光伏技术原理图 光伏聚光器 热沉( h e a ts i n k ) 光伏发电是利用光电效应进行光一电直接转换，将太阳辐射能直接转化成电 能，它的基本装置就是太阳能电池。通常所说的太阳能发电往往指的就是太阳能 光伏发电。太阳能电池是一种利用光生伏特效应而将太阳光直接转化为电能的器 件，是一个半导体光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会 把太阳的光能变成电能，产生电流。当多个电池串联或并联起来就可以成为有比 较大的输出功率的太阳能电池方阵【2 】。通过聚光提高太阳能电池效率并降低发电 成本的概念是简单而直接的。图1 3 阐明了聚光光伏技术的原理【9 】，其中热沉是 一种微型水冷散热片。 1 2 2 聚光光伏系统的优点 在聚光条件下，一方面，电池芯片单位面积接收的辐射功率密度大幅度地增 加，太阳电池光电转化效率得以提高；另一方面，对于给定的输出功率，可以大 幅度降低太阳能电池芯片的消耗，从而降低系统的成本【9 1 ，。针对聚光系统的优 点，下面给出较详细的解释说明： 第一章绪论 1 ) 聚光使太阳能电池的性能提高。 用太阳电池供电，每瓦所需的最小投资由太阳辐射强度( 在晴朗的夏天约为 1 k w m 2 ) 、单位面积太阳能电池成本以及电池的效率决定。太阳能电池性能的 提高主要得益于电池开路电压和光生电流的提高 1 8 , 1 9 】，太阳电池的光电转换效率 为电池的最大输出功率与入射太阳光功率己的比值，经研究发现，转换效率随 着聚光比的增加成对数型增加。用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电 池，输出总功率相同，但是在浓集光下，太阳电池有较高的转换效率。 2 ) 聚光使光伏发电成本降低。 对于光伏发电，太阳电池芯片的价格约占聚光系统成本的5 0 一5 5 【2 ，所 以如果可以大幅度地降低电池芯片的消耗，便可以大幅度降低系统发电成本。在 这种系统中太阳电池的费用只占系统总费用的一小部分，所以可采用更多的工程 技术成果和较贵的电池制造工艺来提高其效率。 1 2 3 聚光系统研究现状 近年来发展的高聚光光伏系统( h c p v ) 采用由聚光反射镜或菲涅耳透镜组 成的光学系统会聚太阳光，能量密度可达到2 0 0 s u n s ( 2 7 4 k w 肝) ，甚至更多。 高度聚光必然产生了大量的热量，所以该太阳能电池需要高容量的的散热片，以 防止热量破坏与温度相关的性能。以前，太阳能电池的研究只有有各国政府和航 天工业才能组织研究。最近，聚光光伏系统也逐渐应用于地面发电系统。2 0 0 8 年5 月，i b m 公司使用计算机芯片冷却技术使聚光光伏系统的能量密度达到了 2 3 0 0 s u n s 。去年，德国的c o n c e n t r i x 公司和美国的a m o n i x 公司已经对外通告他 们的光伏聚光发电系统可以达到的转换效率分别为2 3 和2 5 ，一般的光伏系 统效率都在1 2 到1 5 之间。 聚光并不是一个新概念，在太阳能应用的历史上( m e i n e l ，1 9 7 7 ) 太阳能聚 光器是经常用到的。据说在公元前2 1 2 年阿基米德就用了阳光聚焦的办法烧伤入 侵的m a r c e l l u s 罗马舰队。1 7 世纪时聚光器的主要形式是透镜或取光镜；1 8 和 1 9 世纪流行的是圆锥形的或抛物柱面的反射镜；2 0 世纪初许多太阳能装置使用 线性抛物面反射器，如图1 4 所示【2 。经过研究发现【2 2 | ，对于抛物面会聚器，焦 距长度并不是重要因素，一般利用近似焦距就可以。目前小型的抛物面聚光阵列 也正被研究【2 3 。2 6 1 ，这种聚光器的抛物面单元只有0 2 m 。除了直接利用抛物面进 行聚光，还可以利用二级非成像聚光器【2 7 1 ，如图1 5 所示，这种方法可以获得更 好的会聚比。由于抛物面反射镜尺寸大，所以需要昂贵的成本才能保证其精确的 曲率，而菲涅耳聚光镜与抛物面反射镜相比，它的重量只有3 k g m 2 ，是抛抛物 面反射镜的3 0 ，而且如果将接收器的照明控制好，采用高效率的p v 电池，如 4 第一章绪论 砷化镓电池，就会提高4 0 的发电效率，而且在接收面没有亮点和暗点。菲涅耳 透镜作为太阳能会聚器有许多优点：大尺寸，小的孔径比，厚度小，减少光学材 料，降低了支撑的负载可靠性高【2 唧i 。美国a m o n i x 公司和s i n p o w e r 近期开发 了2 0 k w 的点聚焦菲涅耳透镜阵列，向l 图i 6 所示，该系统安装在p v u s a 和 亚利桑那州的s t a r 公共服务机构。s o l a rr e s e a r c h 公司一直致力于反射圆盘式 浆光光伏系统川。e n t e c h 公司专研于线聚焦菲涅耳透镜光伏系统的研究，如图 1 7 所示。马德里p o l y t e t h n i c a l 研究组研究和开发了一种新型的r x i ( r e f r a c t i o n r e f l e c t i o n i n t e r n a lr e f l e c t i o n ) 聚光光伏系统旧，应用这个系统，可以 使发电成本大幅度降低。 图1 4 线聚抛物反射镜圈l - 5 抛物面反射镜阵列 图l 石点聚焦菲捏耳反射镜图i 一7 线聚焦非涅耳反射镜 我国陕西科技大学研究的折面型抛物柱太阳能聚光器h ，采用“折面”代替 “曲面”，解决了反射式聚光不均匀的问题，他们同时采用了由平面菲涅耳透镜 组合成折面型免跟踪的聚光器l 川= 胡连印、胡胜勇删研究的塑料透射式太阳能 聚光器将平板聚光镜改为曲面形聚光板镜面，提高了透镜会聚比，降低了制作成 本。与发达国家相比我国聚光光伏系统研究工作起步较晚，研究水平与发达国 家也存在一定差距。如何在聚光光伏领域取得突破性研究进展，我国光伏工作者 任重而道远n 第一章绪论 1 3 聚光系统相关技术 1 3 1 太阳光的特性 1 ) 能量密度 太阳照射到地球大气层外的平均辐射能量密度，约1 3 7 k w m ：，称为太阳系 数，用s u n s 表示，即1 s u n = 1 3 7 k w m 2 。 2 ) 太阳张角 太阳并非点光源，从地球上一点观察日轮的直径，张成一个角26 。 汹i n - 1 ( 訾) = s i n - l ( 器) 4 0 5 x 1 0 - 8 弧度_ 1 6 0 ，( 1 - 1 ) 由此可见，虽然太阳距离地球很远，但其照射到地球上的光线并非完全平行。 3 ) 太阳的运动 从地球上某一点观察太阳，其位置是不断变化的，太阳的位置通常用方位角 y ( 取正南为0 ，西为正) 和高度角h 来表示。 j y - c o s - ? ( s i n 伊c o 孵- c o s 矿c o 螂t a n 历( 1 - 2 ) ih = s i n 。1 ( s i n a s i n + c o s 缈c o s a c o s 历 。 其中，口2c o t 是时角，以口中为0 ，下午为正，缈为地球自转平均角速度( 1 5 。 川、时) ；t 为时间；0 为太阳赤纬( 北为正) ，相当于太阳直射在地球上的维度； 矽是观察点的地理纬度( 北半球为正) 。 f l = t a n _ l 【t a n2 3 4 5 。s i n ( 罴) 】( 1 - 3 ) 其中d 为北半球春分开始计算的一年中的天数。 1 3 2 聚光比 聚光器提高光能密度的倍数称为聚光比，也称为会聚比，它是标志聚光器性 能的重要参数。其理论推导将在下一章中进行详细介绍，这里只介绍一下表示方 法。 如果透镜或反射器的收集面积是太阳能面积的1 0 0 倍，该系统的会聚比就被 说成是1 0 0 ，常用符号“1 0 0 x ”表示，意思是电池受到比普通阳光强1 0 0 倍的光 照。实际上，由于光学系统存在象差，电池表面的光强肯定不是均匀的。而且因 聚光器还有反射、透射和散射等损失，电池表面的平均光强常小于普通光强的 1 0 0 倍。说一个电池在1 0 0 x 的a m l 日照下做过试验，就是假设它已在相当于 1 0 0 倍的a m l 均匀的光强下经受过试验1 2 1 1 。 6 第一章绪论 1 3 3 聚光器的分类 1 按聚光的手段可分为：折射型聚光器( 如透镜等) ，反射型聚光器( 如 抛物面反射镜等) 。 2 按聚光的方式可分为：成像聚光器和非成像聚光器( 如复合抛物面聚光 器等) ，也可分别称为聚焦型聚光器和非聚焦型聚光器【2 1 1 。 如果把太阳电池放在透镜( 或反射器) 的焦面上，如图1 - 8 ( a ) 所示，那么这 个聚光器就说成是一个成像聚光器，如同太阳的像成在电池表面一样。图1 8 ( b ) 是一个不会成太阳像的聚光器，这种聚光器成为非成像聚光器。成像与非成像聚 光器的界定不是很明显，因为有很多成像聚光器光学性能很差，不能形成清楚的 像，而且太阳电池可能不在焦面上【2 1 】。 r f l 太阳 ( a ) 成像聚光器( b ) 非成像聚光器 图1 8 聚光器分类 3 按聚光程度可分为：二维聚光器和一维聚光器。例如，一个抛物面反射 器构成二维( 2 d ) 聚光器，一个抛物槽构成一维( 1 d ) 聚光器【2 。 表1 1 列出了常见的太阳能聚光器的性能比较【3 6 】，包括旋转抛物面型、球面 型( s r t a ) 、复合抛物面型( c p c ) 、塔式聚光型、菲涅耳透镜等多种。 1 3 4 接收角( 容许偏角) 聚光器能够聚集到与其光轴某个角度之内的入射光，并使它到达接收器，这 个角度就成为接收角，也就是接收器的视野的一半。例如，在一个成像聚光器中， 只有当入射与系统的轴线所成的角度小于秒角时，光线才能聚焦在太阳能电池 上，护角称为接收角。由透镜( 或反射器) 光学可知： d 2 fs i n 0( 1 4 ) 第一章绪论 对于1 d 浓集光，系统的会聚比近似为d d ，对于2 d 会聚比为( d d ) ：，因 此成像太阳能聚光器会聚比： lc ! 一2 9 1 d c 等南一。 ( 1 - 5 ) ic 一( 赤灿( 劳2 2 。 “一 其中，f 或- 厂数是透镜焦距f 与直径d 的比，s i n 乡0 5 8 ( 0 以度计) ，一个2 d 聚光器，若产1 ，c = 1 0 0 ，则接收角约为2 9 。从接收器以外来的光线不能直接 到达太阳电池，制造一个厂数比1 小很多的聚光器是很困难的。 对于非成像聚光器，由刘维定理得出，1 d 会聚比受下列限制： c 上翌( 1 6 ) 因此，对于给定角的接收器，会聚比有上限，反之亦然。图1 8 ( a ) 说明了 非成像聚光器，从接收角以外来的光不可能到达太阳电池，可以看出，成像聚光 器和非成像聚光器，无论那一种接收角都随聚光比的增加而减小。 表1 1 常见太阳能聚光器的性能参数 聚光器类型聚光比范围最高运行温度 点型聚焦s r t a5 0 1 5 03 0 0 5 0 0 菲涅耳透镜1 0 0 1 0 0 03 0 0 l0 0 0 旋转抛物面5 0 0 3 0 0 05 0 0 2 0 0 0 塔式10 0 0 3 0 0 05 0 0 2 0 0 0 线型聚焦c p c3 1 01 0 0 - 1 5 0 菲浮耳透镜6 3 01 0 0 2 0 0 抛物而1 5 5 02 0 0 3 0 0 1 3 5 接收光强均匀性 在高聚光条件下，太阳电池表面有光强不均匀的现象，导致电池表面的温度 和电流分布也是不均匀的，必然会损坏电池【3 7 】。所以，电池上光强的均匀分布也 是本课题要研究的一个问题。 关于这种现象也有很多研究者在研究。f r a n k l i n 3 8 】的研究表明，抛物槽的聚 光器产生与高斯曲线相似的光强分布，与均匀光照时相比聚光电池的开路电压和 效率都会下降，且随中心光强的增强下降的幅度会更大。w e n n e r b e r g l 3 9 】将薄膜电 池用于低聚光器件，表明组合抛物面聚光器在光照均匀性方面比平板反射器差， 但其聚光率比平板反射器大，作者还认为薄膜电池比硅电池更适宜用于光照不均 第章绪论 匀的系统。a n t o n | 4 ”则重点研究了在不均匀聚光条件下开路电压与温度的关系， 对于非聚光的光伏电池和组件，经常用开路电压法确定等效电池温度这种方法 被证明是非常有效的但在聚光的条件r ，就需要重新考虑。文中引入了不均匀 度闶子u 定义为最大聚光率与平均枭光率的比值主要与泉光器的类型有关， 并且假设温度系数仅与聚光率有关蚵与温度尤关，最终得到最高电池温度与开路 电压的关系，并且用实验证明了模型的正确性。 1 3 6 对日跟踪器 前面已经举了一个有2 9 。接收角的1 0 0 x 聚光器的例子。当太阳以每小时 1 5 。左右的速率移动时，大约在2 3 分钟内就能扫过这个聚光器的视场( 5 8 。) 。 很显然，希望跟踪器能够使聚光器在全日内都能直接向着太阳，这就是跟踪。跟 踪的精度，取决于壤光器的容许偏角，聚光器的聚光比高，则容许偏角小，跟踪 精度的要求就高。 对于高效聚光光伏系统来说，对日跟踪器必不可少_ j 。这土要是由于随着檗 光比的提高，聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就越小丁为了更加充分地 利用a 阳光，聚光光伏系统必须辅以对日跟踪装置。能够精确地跟踪太阳且价格 低廉的对日跟踪装置一直是光伏工作者研究的热点之一。目前，对日跟踪聚光器 的设计方案众多，点聚光机构的聚光器一般要求双轴跟踪线聚光结构的聚光器 仅需要单轴跟踪。但是跟踪器不是必需装置，尤其随着复杂聚光器设计技术的发 展，襞光器的收集角可以达到很人，可以脱离跟踪器也能收集太阳能在各个位置 的能量。图1 9 给山了法国l e t 公司的自由曲面聚光器的示意图，可以将各个方 向的太阳光会聚到接收面，实现聚光器的免* 踪。 毳丫渺 阿1 9 自由曲面光学元件实现聚光 1 4 课题研究的目的和主要内容 聚光器在壤光光伏系统中占有非常重要的地位国内的聚光光伏技术起步较 晚，水平相对国外差距很大。但是随着太刚能利用的普及，这个方向非常具有发 第一章绪论 展潜力。目前非聚光型的光伏系统在光伏市场上还占据主导地位，主要是因为聚 光光伏系统各组件依然存在一些问题没有解决【9 1 ，而且聚光光伏系统需要高精度 的太阳同步跟踪装置，没有平板光伏技术可靠。 本文基于聚光镜设计原理，分析了传统抛物面聚光器的缺点，从非成像聚光 理论出发，设计并完成分段型抛物面聚光镜，其中包括二级聚光镜的两种设计方 法；菲涅耳聚光镜的设计，包括菲涅耳反射镜和菲涅耳透镜的设计。并对设计结 果进行了光学仿真，基本完成了聚光器的初步研究工作，为以后的工作奠定了基 础。全文的主要内容如下： 第一章为绪论，主要分析了太阳能的发展现状，介绍了聚光光伏系统的原理， 引出了聚光器的设计目的，并介绍了聚光基础知识，包括太阳光的特性，聚光器 的分类等，以及国内外聚光光伏系统的发展现状。 第二章为聚光器的设计原理，包括边缘光线原理，光线追迹公式，接收面光 强度评价原理和方法，并通过介绍非成像光学的一些基础知识，解释并区别了会 聚比的一些定义，为接下来的研究做了充足的准备。 第三章为抛物面反射型聚光器的设计，首先从理论上分析了成像抛物面聚光 器不能达到理想会聚比的原因，通过分段设计完成了单个抛物面聚光器的设计。 引入了二级聚光镜，分别设计了锥形二级聚光镜和曲面二级聚光镜。 第四章为菲涅耳聚光镜的设计，根据菲涅耳透镜设计的原理，完成了两种菲 涅耳透镜型聚光器的设计，并分析了理想光学效率和透镜口径角的关系，得到了 相应的结论。除此之外，还完成了菲涅耳反射镜的设计和仿真实验，并为了提高 菲涅耳聚光镜的接收角设计了曲面作为基面的菲涅耳透镜。 第五章为实验验证，通过对部分聚光器的加工，测量，搭建光路，进行了实 际聚光实验，进一步验证了设计的合理性。 第六章为总结展望，通过对本文的总结，提出了下一步的工作内容。 1 0 第二章聚光镜设计原理 第二章聚光镜设计原理 为了充分理解聚光器的设计要求，本章主要介绍了聚光器的设计原理，包括 边缘光线原理，光线追迹原理即聚光器会聚能力评价原理。为了区别成像和非成 像聚光器的会聚比，较详细分析了非成像光学的相关理论，为下一步的设计工作 奠定基础。 2 1 边缘光线原理 对于成像聚光器的一个重要要求就是最大入射张角目，内的所有光线应在出 射孔径的边缘形成清晰的像，即假设口，以内的光线全部通过系统从出射孔径出 射。对于非成像聚光器而言，所有最外侧光线不必都成清晰象点，但都必须从出 射孔径的边缘出射，或者更一般的说，入射光束中的最外侧光线也应是出射孔径 最外侧光线，如图2 1 所示。 在迄今为止所发展的非成像聚光器设计方案中也没有足够的自由度能使所 有的以秒，入射的光线满足这一原理。尽管这样，以边缘光线原理设计的聚光器理 论上具有很高的会聚比，所以在设计中，仍然要根据这个原理设计聚光器的相关 参数1 4 2 1 。 2 2 光线追迹理论 图2 1 边缘光线原理 设计和分析聚光器的重要手段是光线追迹，即跟踪光线通过一个由反射、折 射表面所组成的系统时的路径。在传统的光学系统设计中，所涉及的反射或折射 表面几乎总是球面的一部分，而且球面的球心位于一条直线上( 即对称光学系 统) ，从而可以利用表面形状的简单性及对称性而使用一些特殊的方法。一般说 第二章聚光镜设计原理 垒塾攀 厂 表面 ( a )( c ) 图2 3 反射时光线追迹的步骤：( a ) 找出入射点p ：( b ) 找出p 点处法线：( c ) 使用公式( 2 1 ) 找出反射光线，。 图2 3 折射的欠量公式 当光线从折射率为玎的介质射向折射率为刀7 ( “l上 七l ( n ) 第_ 二章聚光镜设计原理 2 5 课题研究方法 图2 1 0 是课题的主要研究思路和方法。对于某一类型聚光器，首先进行原 理上的设计和推导；然后借助m a t l a b 等数学软件进行数值求解，确定设计参数： 利用光学仿真软件对设计结果进行光线追迹，实现光学仿真，这一步采用常用的 非序列光学仿真软件t r a c e p r o 完成；依据仿真结果，反复进行设计参数的再优化 设计；最后采用超精密加工方法进行聚光镜加工，并进行光学实验验证。 图2 1 0 课题研究方法 需要说明的是，为了课题研究的方便，设计过程中将光电池简单的设为圆形， 这与一般光电池为方形的最终设计不符。其实，实际应用时简单起见，光电池可 以放置在圆形的内接矩形内，准确地也可采用积分棒、整束镜或自由曲面镜( 如 双正弦透镜) 将圆形光斑整形为矩形光斑，以符合实际应用需求。 1 9 第三章抛物面反射型聚光镜的设计 第三章抛物面反射型聚光镜的设计 传统抛物面聚光器实际上是一种成像聚光器，达不到理论最大会聚比。本章 将会分析成像聚光器的一些特性，从理论上分析其达不到理论最大会聚比的原 因。并对抛物面表面进行分段设计，提高抛物面聚光器的会聚比。同时采用二级 反射元件，进一步实现了接收面光强的均匀性分布。 3 1 理想成像聚光器的特性 入射孔径直径为2 口的光学系统，它使无限轴上物点成像，最边缘光线锥的 半角为口：i l 。，此时数值孔径由下式定义： n a = ”s i n 口孟 ( 3 1 ) 式中，刀是象方介质的折射率。假设轴上物点发出的所有光线都清晰地聚集 在焦点上，就是没有球差。阿贝指出，如果对于所有的近轴光线都满足下列条件， 则轴外物点也将清晰成像： h = 刀7 s i n 口7 常数( 3 - 2 ) 图3 1 成像系统数值孑l 径的定义 式中，h 为离开入射光线轴的距离，口是在最后介质中的光线与光轴的夹角，此 式是阿贝正弦条件的一种形式，是可以实现良好成像的必要条件。它不保证所有 的轴外物点都成理想的像，但却保证随轴外角线性增大的像差为零。这像差就是 彗差，这种没有球差也没有彗差的状态称为齐明性。显然，成像聚光器具有理论 最大会聚比乃至理想聚光器( 但不具有理论最大会聚比) 的必要条件就是成像应 是齐明的，但并不是充分条件。 委露囊 蠹一 图3 2 抛物面反射镜的彗差 显然，在矽：万2 时可得到口的最小值， 光线 这时考虑到吸收体所产生的障碍作 黜麟 绷删斛嗍狲椭艄蒯 。一一一一一一一一一一一一 第三章抛物面反射型聚光镜的设计 时，就需要尺寸非常大的光电池才能接收到全部的光线。而这无疑会减少聚光器 的有效接收面积，聚光器的会聚比会大幅度减低。当然可以通过精密跟踪装置控 制聚光器的转角，使其始终精确跟踪太弭 ，即要求接收角维持在太阳张角以内， 但是精密的跟踪装置需要昂贵的成本费和维修费。为了解决这个问题，本章将重 点设计大范围接收角度的阶段型抛物面反射器。 国3 - 4 不侧接收角抛物面反射镜的聚光情况 3 2 单个抛物面反光镜的设计 依据上节对成像聚光器的分析，为了提高聚光器的会聚比，本节将基于光线 追迹公式根据光电池的尺寸、焦距及接收角计算出抛物面的面型，利用抛物面的 分段设计完成大接收角度聚光。 图3 - 5 设计原理图 当光线与聚光器光轴轴成一定角度入射，由于象差的存在，光线将不会交于 一点。倒如抛物面方程为z2 = 2 p y ，取p - - 3 0 m m ，则其焦距为1 5 r a m ，将电池 放在焦平面上。取入射点a 1 ( 0 ，0 ) ，和入射点a 2 ( 1 09 5 4 2 ) ，如图3 - 5 所 示，利用光线追迹公式，町得a l 和a 2 两点的的反射光线与电池的交点与光轴 的距离分别为：a l - 26 4 4 9 m m ，a 2 = 46 0 3 9 m m 。通过这个简单的计算，将像差进 行了量化。可以看出，要保证相同角度的离轴光线在抛物线上射到电池的同点 上是不可能的，想要接收到全部的离轴光线，只有将电池向下平移，但这样就不 能保证平行于光轴的光线可以射到光电池上( 这也是要将光电池放在焦平面附近 的原因) 。 塞三苎塑塑耍垦塾型鍪! 壁! 堡盐 设a ( x y ) 为抛物线上任意一点b 点为边缘入射光线的反射光线与光电 池的交点坐标，如图3 5 坐标系所示，设抛物线方程为( x - u ) ：2 p c y v ) ，在a 点抛物线的斜率为t = ( x - u ) i p ，法矢量的斜率为女= 一i l k ，可求其单位法矢量： ( n 若+ 忑否- p 扛”+ i 备r “2 ( 3 - 5 ) 设入射光线的单位矢量为m c 。玎i 3 口+ d + ，s j n ( = 3 口+ 印，其中口为a 射光 线的偏离主轴方向的摄大值- 依据光线追迹公式町以得到反射光线的单位矢量衷 r = s i n 0 一( ! ! i ：；一十2 c o s o p ( r x - u ) ) 】，+ 者，番，( z 一)( x 一、2 _ c 刚+ 焉蓦+ 等篆爹 。剐 占) ”番) 一 而反射光线可以由矢量坐标= 占一d ，根据k 和，的方向余弦相等，可以 一。目+ ! ! ! ! + 2 c o s 0 p ( x - u ) - 。 忑 s i n 0 兰兰2 耋c o s o p 釜( x - u ) - ：譬， 一( 塾哗一十。) 1 一“ o + 舌_ ) o + 兰- ) 。 由公式3 - 7 t 根据设计要求可分段求得抛物面的参数，图3 - 6 是二段抛物面 面型设计示意圈，接收角为1 。，具体的计算流程图如图3 - 7 。 图3 - 6 二阶的阶段型抛物面示意图 在加工实验中t 选择的参数为：接收角1 0 。，电池直径l o m m ，光电池中心 位置( 0 1 5 ) ，分成四段设计，分段参数见实验部分，图3 8 为抛物菌光线仿 真圈。 第三章抛物面反射型聚光镜的设计 * 一& ：d 目# 目 - t _ 相2 1 圈3 0 分段抛物嘶计算流程图 图3 - 8 抛物面光线仿真图 “：= 二：一。 堂 ：o 一，一= 一一 蓝：= ：= 一：。= ! ? 一= # 7 # 二一 。嚣 。 ，篓一一u - g 每一 。：= 二 i i ，= _ ：嚣划二牲= * ： 嚣。雏vn ：嚣一：o 二= = 二= ， j 。一：。k ， 一。2 谣j 蓄鬻蒜毒收辐照度目 利用t m c e p 进行的光线仿真如图3 - 9 所示，为了统一单位，能量取辐射量 单位。入射光的总的辐射通量为1 0 0 0 w ( 1 0 0 0 条光线) ，接收面的平均辐照度 为l e + 0 0 7w m 2 ，最大辐照度为1 3 4 6 5 c + 0 0 7 w m 1 。右边的图左边十字光标处的 x 轴和y 轴上的辐照度的二维图形，蓝色代表x 方向，绿色为y 方向。通过该图 可以看出光电池接收面卜的能量分布均匀性较好。 3 3 二级聚光器 像差是影响抛物面聚光效果的一个重要因素想要从设计上避免像差是不可 能的。抛物线上每一点对入射光线都存在不同影响