聚光光伏系统菲涅耳聚光器性能分析与仿真

对太阳能聚光光伏发电技术中的聚光系统进行了研究,分析了菲涅耳透镜应用于太阳能聚光器的优点、聚光特性以及光学效率,推导并获得了平面向外、菲涅耳面向太阳电池的点聚焦菲涅耳透镜的设计公式。在ZEMAX软件的非序列模式中实现了基于非成像光学理论的光线追迹仿真,对某一尺寸的菲涅耳透镜的焦平面上光斑能量分布情况进行了分析与模拟。研究结果表明,利用通常的菲涅尔透镜实现聚光作用的聚焦光斑的光能量主要集中在太阳电池的中心部位,呈现为从中心往外围能量越来越弱的同心圆环。要使太阳电池接收到的光能量尽可能均匀,则需要增加二次聚光元件。     

太阳能采集用1000mm口径菲涅耳透镜设计

针对太阳能利用率较低、光伏发电成本过高的问题,从聚光器的角度出发,采用菲涅耳透镜对太阳光进行聚焦.在分析菲涅耳透镜结构的基础上,提出了透镜主要性能指标,设计了一个满足要求的1 000 mm口径透镜,对聚光时透镜位置的放置进行了讨论.该设计具有一定的通用性,可以适用于其他大口径的菲涅耳透镜设计,对于促进太阳能采集发展具有重要意义.     

应用于聚光光伏模组的全反射式二次聚光器的设计与性能分析

当前聚光光伏系统存在很多问题,比如跟踪器的跟踪精度偏低、聚焦光斑强度分布不均匀、聚焦光斑的形状跟太阳电池不匹配等,二次聚光器可以解决这些问题,从而提高高倍聚光光伏系统的光电转换效率.对高倍聚光光伏系统中的菲涅耳透镜和二次聚光器的聚光原理进行了简要分析,重点对全反射式二次聚光器进行了二维聚光的理论分析,并配合非成像光学的...     

一种环面焦斑菲涅耳聚光器的设计与分析

在聚光光伏系统中,聚光光斑辐照度的不均匀性会降低光伏系统的光电转换效率,且会在光伏电池表面形成热斑效应,灼伤光伏电池。基于多焦点方法,设计了一种环形焦斑菲涅耳太阳能聚光镜,每环小透镜在焦平面上具有一个环面焦斑,且环面焦斑在接受面上均匀依次排列,实现均匀聚光。以口径400mm,具有200环,焦斑半径20mm,F数为0.8的圆状环面焦斑菲涅耳聚光器为实例,用TracePro模拟平行太阳光垂直照射下时的照度图,得到其理想光学效率为86.77%,光能均匀度为0.8,表明环状焦斑菲涅耳聚光器具有较高的光能利用率和照明均匀性。分析了焦斑均匀性与聚光器F数的关系,当F数一定时,焦斑均匀性随着聚光器口径的增大而逐渐降低。     

激光无线能量传输接收系统二次聚光研究

为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷,设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理,利用Tracepro软件进行了仿真,采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究,对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出,在激光电池接收功率一致的情况下,菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%;在计入二次聚光器损耗后,激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明:梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。     

可见光通信中菲涅耳透镜仿真设计与优化

可见光通信是一种在白光LED技术上发展起来的新兴光无线通信技术,具有发射功率高、无电磁干扰等优点。相比常规透镜,在可见光通信系统的光接收天线上,使用菲涅耳透镜可以降低成本,减小透镜厚度和接收焦距。本文利用Zemax软件对菲涅耳透镜进行了设计、仿真与优化,首先分析了透镜设计技术要求,提出了基于菲涅耳透镜的设计与仿真方法及参数设置,然后对几类透镜进行了仿真与性能分析,在此基础上进行了透镜设计优化。结果表明,在光垂直入射且探测器尺寸为1.5×1.5mm2情况下,可保证F数＜1,并得到优化的透镜结构和参数,使集光效率达到90%,为基于菲涅耳透镜的天线设计提供了理论与应用基础。     

基于平板型导光板的太阳能聚光系统

针对传统线性聚光系统聚光光斑辐照度不均匀的问题,提出了一种由曲面线聚焦菲涅耳聚光器阵列及平板型导光板所组成的、系统高度小于40mm的小体积聚光系统方案,建立了曲面线聚焦菲涅耳透镜的一般方程,给出导光板V形槽设计公式,并采用正交试验法和光学仿真实验对聚光器系统的各项结构参数进行优化设计,同时分析了曲面线聚焦菲涅耳的加工误差及导光板安装偏角误差的影响。结果表明:优化后系统在采光面积500mm×200mm、聚光比50倍时,聚光效率可达75%,聚焦光斑均匀性优于88%,且入射太阳光偏角在±7°内聚光效率大于50%。通过拼接可获得不同聚光倍数系统,由仿真实验得出在160倍聚光比内,效率高于50%,均匀性优于85%。     

分布式焦点法线聚焦菲涅耳聚光器设计及性能分析

在聚光型光伏系统中,聚光光斑的幅照度不均匀性会降低光伏电池的光电转换效率:并且造成光斑局部点的能量过高,灼伤光伏电池.根据非成像光学理论,介绍了一种基于分布式焦点法设计线聚焦菲涅耳聚光器的方法,并与传统采用共焦法设计的线聚焦菲涅耳聚光器进行了对比分析.结果表明:在保证能量聚光比以及最大能量透过率不变的情况下,使用分布式焦点法设计的菲涅耳聚光器可使聚光光斑的辐照度均匀性得到很大改善,有利于提高光伏电池的光电转换效率,延长光伏电池的使用寿命.     

使用菲涅耳透镜的太阳光抽运Nd:YAG激光器

太阳能是规模最大的可再生能源,为充分利用这一资源,太阳光直接抽运激光器是一种明智的选择。提出并搭建了采用两级会聚系统的太阳光抽运激光器系统。使用菲涅耳透镜作为大口径成像型第一级会聚系统,漫反射锥形聚光腔作为非成像型第二级会聚系统提高入射太阳光到工作物质的耦合效率。采用Nd:YAG晶体作为工作物质,获得了2.85 W的激光输出,从太阳光到激光的转换效率为0.43%。从菲涅耳透镜会聚效率、聚光腔内激光棒轴线上的功率分布等会聚系统方面和激光输出特性方面分析了该太阳光抽运激光器的性能;探讨了转换效率低的原因,并提出了相应的改进措施。     

组合式免跟踪聚光光学系统设计

针对当前聚光光伏系统中自动跟踪系统故障率高及跟踪成本大等问题,提出了一种由线聚焦菲涅耳透镜、反射式二次聚光器和全反射棱锥组成的组合式免跟踪聚光光学系统,论述了各组成元件的工作原理与设计方法。在光学设计软件Zemax里对该系统进行结构优化与仿真分析,结果表明,在俯仰角最大为16时,该系统的平均聚光效率为24.1%,与FRS系统相比提高了18.7%。集成了基于组合式免跟踪聚光光学系统的免跟踪聚光光伏模组,初步测试结果表明,该模组在非跟踪状态下光电转换效率最高达到19.6%,4 h后光电转换效率仍能达到5.9%。     

圆锥曲面Fresnel透镜数值设计方法

Fresnel透镜是最常见的太阳能聚光镜之一,曲面Fresnel透镜通常比平面Fresnel透镜具有更加优越的性能。基于非成像光学理论,提出了一种新型曲面Fresnel透镜的设计方法。曲面Fresnel透镜采用圆锥曲面基底,在满足Fresnel透镜机械参数要求的前提下,实现Fresnel透镜第二工作面面型的求解。基于可加工性的要求,利用该方法设计了不同形状的曲面Fresnel透镜,通过光学仿真分析了曲面Fresnel透镜的结构参数对聚光镜会聚比、容忍角、光照均匀性的影响,并分析了超精密加工条件下,由于加工误差对光学效率的影响。该设计方法为参数化曲面Fresnel透镜的分析提供了一种新的途径。仿真结果表明,具有小深宽比的曲面Fresnel透镜具有更好的均匀性和更高的能量利用率。     

Design of objective lens with reflective spherical Fresnel zone plate

An objective lens composed of a spherical Fresnel zone plate mirror and aspheric mirrors is designed.The Fresnel zone plate with a spherical shape is analyzed, and the method to approximately replace the aspherical mirror with spherical Fresnel zone plate is deduced. The objective lens is designed with a single spherical Fresnel zone plate mirror and three aspherical mirrors. Under the condition of 100 × magnification,2.5 Fresnel number and 120° field angle, the modulation transfer function can reach above 40% at 0.6 line pairs/mm on the magnification side, and the distortion is less than 2.2%. This method can provide a reference for the application of Fresnel zone plate in visible light imaging, and has a bright future with the continuous development of the fabrication technique of Fresnel devices.     

透镜与电池间距对聚光光伏系统特性影响的实验研究

实验研究了聚光太阳电池上光照强度、短路电流、开路电压、电池温度和光电转换效率随菲涅耳透镜与电池的距离变化关系。结果表明,聚光条件下,太阳电池性能的提高主要源于短路电流的变化,而不是开路电压;聚光后,太阳电池与透镜距离为焦长时,输出功率可以达到最大值;太阳电池的最大单位光强转换效率需要把太阳电池放到透镜焦点前。本文研究结果对于聚光光伏系统的研制具有指导意义。     

Characterization of the spatial distribution of irradiance and spectrum in concentrating photovoltaic systems and their effect on multi‐junction solar cells

The irradiance and spectral distribution cast on the cell by a concentrating photovoltaic system, typically made up of a primary Fresnel lens and a secondary stage optical element, is dependent on many factors, and these distributions in turn influence the electrical performance of the cell. In this paper, the effect of spatial and spectral non‐uniform irradiance distribution on multi‐junction solar cell performance was analyzed using an integrated approach. Irradiance and spectral distributions were obtained by means of ray‐tracing simulation and by direct imaging at a range of cell‐to‐lens distances. At the same positions, I–V curves were measured and compared in order to evaluate non‐uniformity effects on cell performance. The procedure was applied to three different optical systems comprised a Fresnel lens with a secondary optical element consisting of either a pyramid, a dome, or a bare cell. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

高精度准直式太阳模拟器光机结构设计

为了实现对卫星控制系统中太阳敏感器的高精度地面标定和测试,提出一种真实模拟太阳光辐射特性的高精度准直式太阳模拟器设计方案,根据模拟器热功率高的特点,对氙灯与组合聚光镜、转向平面反射镜、光学积分器等主要组成部分进行了详细的光机结构与热控结构的设计.运用Ansys软件进行热学仿真分析,保证热控结构设计的合理性与最优性.通过实际检测,设计的太阳模拟器可以真实地模拟太阳光辐射特性,准直角小于32',辐照面小于100 mm时,不均匀度优于1.6 %;辐照面在(100~300) mm时,不均匀度优于4.2 %,满足对高精度太阳敏感器的地面标定和精度测试.     

菲涅耳透镜下多结电池表面局部高辐射功率对短路电流的影响

为探索以菲涅耳透镜为聚光器的聚光光伏模组中,多结电池中心局部高辐射功率对短路电流的影响,测量菲涅耳透镜的高亮度光斑直径,并据此分别测试室内不同局部光照面积下和户外不同尺寸透镜下的GaInP/GaInAs/Ge三结电池的短路电流,利用电路网络模型分析实验结果。结果表明,短路电流与局部聚光的面积无关;小尺寸菲涅耳透镜聚焦下,沿光轴电流与辐射功率同步变化;透镜尺寸增大到一定程度,电池中心局部承受过高辐射功率,电流受峰值隧穿电流限制,宏观体现为焦平面处短路电流下降。电池放置在焦平面两侧,均可缓解局部高辐射功率,短路电流最高提升 8.0%。