高匀光性菲涅尔聚光光学系统的设计

摘要

太阳能是21世纪最有潜力的能源,作为一种最有效利用太阳能的技术,太阳能聚光型光伏系统成为全世界各国研究的热点。目前聚光型光伏系统还存在很多问题,比如聚光光斑强度分布不均匀,在太阳能电池表面形成热斑效应;接收角偏小,不能与跟踪器精确匹配;这些问题都将导致光伏系统的光电转换效率降低。为提高聚光型光伏系统的光斑均匀度和增大接收太阳光的角度,本文设计了一种聚光光学系统,由主聚光器—环面焦斑菲涅尔聚光器和二次聚光器—全反射匀光漏斗组成,并对此聚光光学系统进行了深入的理论研究,建立了较为完善的系统理论模型。
　　首先,研究了环面焦斑菲涅尔聚光器实现均匀聚光的原理,推导了环面焦斑菲涅尔聚光器的统一设计公式。通过Matlab软件分析F/＃(F数)与光学效率的关系、Tracepro软件仿真光斑照度,结果表明:环面聚焦菲涅尔透镜各环的棱深度小于普通点聚焦菲涅尔透镜各环的棱深度;环面焦斑菲涅尔聚光器具有更高的光能利用率和光斑均匀性;环面焦斑菲涅耳聚光器的光斑均匀性,随着F/＃的增大而增大,随着几何聚光比的增大而减小;随着接受角度的增大,环面焦斑菲涅尔聚光器的光斑均匀度和光学效率都逐渐降低。
　　其次,利用边缘光线原理和全反射定律推导了全反射匀光漏斗的统一设计公式。分析匀光漏斗的结构参数对聚光系统性能的影响,结果表明:随着使边缘入射光线在匀光漏斗内全反射次数的增加,匀光漏斗的高度增加,聚光系统的光斑均匀性也增大;随着接收角的增大,聚光光学系统的光斑均匀度和光学效率都逐渐降低;聚光光学系统的光斑均匀度总是高于环面焦斑菲涅尔聚光器的光斑均匀度。总之,聚光光学系统无论是在光斑均匀度、光学效率还是接收角方面都更具优势,但是增加了全反射匀光漏斗无疑会增加光学系统的长度。
　　最后,对聚光光学系统的结构参数(菲涅尔聚光器的半径R,光斑半径r,菲涅尔聚光器的焦距f)进行优化。当R、r一定时,随着f增大,聚光系统的长度增大,聚光光学系统的光斑均匀性一直保持很高,但光学效率存在一个转折点,与环面焦斑菲涅尔聚光器的光学效率随F/＃的变化趋势相同,因此,f的优化值取光学效率转折点处对应的值;当R、f一定时,随着r的增大,聚光系统的长度增大,聚光光学系统的光学效率一直保持很高,但光斑均匀性存在一个转折点,因此,r的优化值取光斑均匀性转折点处对应的值。对R为200mm的聚光系统,在保持高光斑均匀度0.862,高光学效率86.5％的前提下,系统结构参数优化为:r为10mm,f为320mm。
　　总之,研究了一种聚光光学系统的设计和优化的方法,可望为聚光光学系统的设计提供理论依据,为系统的实用化设计和产品研制提供一定的参考。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

图清单

表清单

1 引言

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 聚光光学系统

1.3 论文的研究内容

2 菲涅尔聚光光学系统的理论基础

2.1 光线追迹

2.2 成像与非成像光学

2.3 传统菲涅尔聚光器的设计公式

2.4 评价聚光系统的指标

3 环面焦斑菲涅尔聚光器设计

3.1 环面焦斑菲涅尔聚光器设计方法

3.2 光学效率及光斑均匀性分析

3.3 建立模型和聚光性能模拟

3.4 接收角

3.5 本章小结

4 全反射匀光漏斗设计

4.1 全反射匀光漏斗设计方法

4.2 全反射匀光漏斗的实例设计

4.3 本章小结

5 菲涅尔聚光光学系统的优化设计

5.1 聚光器半径R和光斑半径r一定时对焦距f的优化

5.2 聚光器半径R和焦距f一定时对光斑半径r值的优化

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历