[发明专利]基于非成像光学的光伏聚光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏聚光器。

背景技术

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。

发明内容

本发明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C_g＝A_i/A_o计算聚光器的几何聚光率C_g，其中A_i为主 透镜的上表面的面积，A_o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C_g和集光角a₁；

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(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-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-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的直线段AH，执行步骤八：